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Anordnung zur Regelung von Asynchronmaschinen.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Regelung der Drehzahl oder auch der Phasenkompensierung von Asynchronmaschinen mittels mit den Asynchronmaschinen in Kaskade geschalteten Kommutatorhintermaschinen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf solche Regelsysteme, bei denen an der Asynchronmaschine ein vom Schlupf unabhängiger Belastungsstrom dadurch erzeugt ist.
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Spannungen eingeführt werden, von denen die eine die Sekundärspannung der Asynchronmaschine bei jedem Schlupf aufhebt, während die zweite Spannung vom Schlupf unabhängig ist und den Belastung- strom erzeugt.
Ein weiteres Merkmal des Anmeldungsgegenstandes besteht darin, dass in an sich bekannter Weise in den Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine ein Stromtransformator (insbesondere ein Drehtransformator) eingeschaltet ist, dessen Sekundärwicklung die Erregerwicklung der Kommutatorhintermaschine speist und der erfindungsgemäss in seiner Grösse und Phase derart bemessen und eingestellt
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geführte Spannung die durch den Belastungsstrom erzeugte induktive Streuspannung aufhebt. Dadurch wird der unerwünschte Einfluss dieser induktiven Streuspannung auf den Regelvorgang beseitigt, was namentlich bei den geschilderten Asynchronmaschinen mit vom Schlupf unabhängiger Leistung von grosser Bedeutung ist.
Wenn die Kommutatorhintermaschine dabei mit der Asynchronmaschine mechanisch gekuppelt ist und deren Drehzahlschwankungen mitmacht, so kann der Transformator gemäss der Erfindung auch noch dazu benutzt werden, die durch die Drehzahländerungen herbeigeführten Abweichungen der Klemmenspannung der Kommutatorhintermasehine vom Sollwert durch Einführung von Zusatzspannungen auszugleichen.
Die Erfindung ist in folgendem an Hand der Ausführungsbeispiele der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Teil der Gesamtsehaltung der Erfindung, enthaltend den Stromtransformator und die Kommutatorhintermaschine, Fig. 2 zeigt ein Vektordiagramm der durch den Stromtransformator in die Kommutatorhintermaschine eingeführten und erzeugten Spannungen und Ströme, Fig. i1 zeigt ein Vektordiagramm für die Ströme und Spannungen an dem mehrphasigen Stromtransformator und die dazugehörige Schaltung der Primär-und Sekundärwicklungen des Stromtransformators, die Fig. 4. 5 und 6 zeigen Gesamtschaltungen gemäss der Erfindung, die Fig.
7 und 8 stellen Vektordiagramme
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Kommutatormaschine eine in den Sekundärstromkreis einer Asynchronmaschine eingeschaltete homme- tatorhintermaschine, die im Ständer mit Schlupffrequenz erregt wird, darstellt. Die Kommutatormaschine 1 und die Primärwicklung des praktisch rückwirkungslosen Transformators 2 werden vom Strome J1 durchflossen, dessen Frequenz gleich der Schlupffrequenz der Asynchronmaschine ist. In der Sekundärwicklung des Transformators 2 wird eine Spannung E12 der Wechselinduktion induziert, die dem Strome J1 um 90 nacheilt, also mit j.J1 des Vektordiagrammes der Fig. 2 phasengleich ist, falls die Wicklungen der Transformators zueinander koaxial stehen.
Verdreht man aber die Sekundärwicklung gegenüber der primären, was im Falle eines Drehtransformators möglich ist, um den Winkel 1. so wird
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angenommen, dass E12 dem j. J1 um den Winkel αnacheile. Phasengleich oder wenigstens annähernd phasengleich mit E12 ist der Erregerstrom J2 der Kommutatormaschine J, falls der Ohmsche Widerstand 3 im Stromkreise II gross gegenüber dem Blindwiderstand ist.
Die in der Kommutatormaschine erzeugte Spannung U1 schliesslich ist entweder phasengleich oder schliesst mit J2 1800 ein. : Man kann also mittels der angegebenen Anordnung eine Spannung U1 erzeugen, die gegenüber dem Strom J1 einen beliebigen Winkel (in Fig. 2 [90 + tJ. ]0) einschliesst.
Die gewünschte Phasenverschiebung zwischen J1 und E12 kann man mit Hilfe eines Drehtransformators am einfachsten erreichen.
Aber auch durch einen statischen Transformator kann man einen beliebigen Winkel zwischen J1 und E12 einstellen. Man braucht bloss die sekundäre Wicklung in zwei oder mehrere Teile zu zerlegen md passend zu schalten. In Fig. 3 ist gezeigt, wie dies geschehen kann. In der primären Wicklung
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geschehen, das ja beim Durchgang durch den Synchronismus seine Richtung ändert. Um die Beweglichkeit des Drehtransformators zu erhöhen, wird man dabei diesen mit Kugellagern versehen. Sollte das Moment des Drehtransformators nicht ausreichen, um die genannte Verstellung durchzuführen, so könnte man durch einen kleinen Drehstrommotor das Moment des Drehtransformators unterstützen.
Dieser hätte in direkter Kupplung oder über ein Zahnradvorgelege den Drehtransformator in gewünschtem Sinne zu verstellen. Der Motor müsste dabei von einer Spannung der Schlupfperiodenzahl gespeist werden, also wohl am besten von der Schleifringspannung der Hauptmasehine. Durch passend angebrachte Anschläge am Drehtransformator oder am genannten kleinen Hilfsmotor liessen sich dann die gewünschten Stellungen für Unter-bzw. Übersynchronismus festlegen. Bei Verwendung eines gewöhnlichen Transformators ist aber im Übersynchronismus eine Änderung der Schaltung erforderlich. Nur in dem Sonderfall, in welchem der Winkei a. Null ist, kommt eine Änderung der Schaltung nicht in Betracht.
Es ist ferner möglich, in den Stromkreis der Erregerwicklung einer und derselben Kommutator- maschine in Hintereinanderschaltung die Sekundärwicklungen von beliebig vielen Transformatoren einzuschalten, deren Primärwicklungen in verschiedene Stromkreise mit derselben veränderlichen Frequenz eingeschaltet sind und dadurch in der genannten Kommutatormaschine verschiedene Spannungen erzeugen, die zu den Primärströmen der Transformatoren in bestimmten Verhältnissen der Grösse und der Phase stehen. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 4 gezeichnet. Die Schlupfleistungsmasehine. 2 sowie die Erregermaschine 3 der Schlupfleistnngsmaschine werdpn von einem Motor 4 mit konstanter oder annähernd konstanter Drehzahl angetrieben.
Im Stromkreise II ist die Primärwicklung des Transformators 5, im Stromkreise III die Primärwicklung des Transformators 6 eingeschaltet. Die Sekundärwicklungen der Transformatoren 5 und 6 sind in den noch vom Periodenumformer 7 gespeisten Sehlupf- frequenz führenden Erregerstromkreis IV der Komtatormaschine 3 eingeschaltet. Dieser Tromkreis IV muss dabei in irgendeiner Weise induktionslos gemacht werden, damit Proportionalität zwischen den eingeführten Spannungen und dem Strome J4 besteht. Dies kann durch Einschaltung eines induktionslosen Widerstandes 8 passender Grösse geschehen. Diese Methode hat aber den Nachteil, zu grossen Leistungen der Transformatoren. 5 und 6 und des Periodenumformers 7 zu führen.
An Stelle der Vergrösserung des Ohmschen Widerstandes kann man demnach vorteilhafter die Induktionsspannung des Stromkreises IV aufheben. Dies kann durch die Anordnung einer koimpensierten Maschine 9, eines Transformators 10und eines induktionslosen Widerstandes 11, also nach dem Verfahren der Erfindung, geschehen.
Die von dem Transformator 6 in den Stromkreis IV eingeführte Spannung ist in der Grösse derart bemessen und in der Phase derart eingestellt, dass sie über die Kommutatormaschine 3 in den Erregerstromkreis 111 eine Spannung einführt, die die Selbstinduktionsspannung dieses Erregerstromkreises III aufhebt.
Ebenso ist die Sekundärspannung des vom Sekundärstrom der Asynchronmaschine 1 primär gespeisten Transformators 5 in der Grösse und Phase derart bemessen und eingestellt, dass sie über die Kommutatormaschinen. 3 und 2 in den Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine eine Spannung einführt, die die sekundären und primären Streuspannungen und Ohmschen Spannungsabfälle an der Asynchronmaschine 1 in ihrem Einfluss auf den Sekundärstrom der Asynchronmaschine ausgleicht.
Es lässt sich zeigen, dass bei passender Bemessung und Einstellung der Transformatoren 5 und 6 die Gleichung gilt :
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Hierin bedeuten s den Schlupf der Asynchronmaschine in Prozenten, E20 die Sekundlrspannung der Asynchronmaschine bei Stillstand und offener Läuferwicklung-. Uo die Spannung des Periodenumformers 7, J2 den Sekundärstrom der Asynchronmaschine./s. ? g, die Ohmschen Widerstände der
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formatoren 5 und 6.
Es ist also durch die Anordnung zweier annähernd rückwirkungsloser Transformatoren, deren Primärwicklungen in den Stromkreisen 11 und 111 der Fig. 4 liegen und deren Sekundärwicklungen auf den Stromkreis IV arbeiten, beispielsweise möglich, für den Sekundärstrom J2 die obige einfache Beziehung zu gewinnen.
Ändert sich nun J2 in Abhängigkeit der Sehlüpfung und von Uo nach Gleichung (3), so lässt sich
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während die Blindleistung von der Schlüpfung praktisch unabhängig ist. Da es aber unter Umständen erwünscht sein kann, dass sich die Wirkleistung mit der Sehlüpfung weniger stark oder überhaupt nicht ändert, so soll zunächst gezeigt werden, wie dies erreicht werden kann. Dabei haben wir Gelegenheit, an weiteren Beispielen die Anwendung der Erfindung zu zeigen.
Um die Abhängigkeit der Wirkleistung von der Schlüpfung kleiner zu gestalten bzw. ganz zu
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der Hauptmaschine entweder direkt oder über ein Zahnradgetriebe angetrieben wird und deren Primärwicklungen an die Netzspannung U1 gelegt ist. Von der Sekundärwicklung dieser Maschine könnte man dann eine der Schlüpfung proportionale Spannung abnehmen. Diese Anordnung hat den Nachteil, eine verhältnismässig grosse Hilfsmaschine zu bedingen. Besser ist die Anordnung einer zweiten Wicklung im Läufer der Hauptmaschine, von welcher dann eine Hilfsspannung U@ abgenommen werden kann.
In Fig. 5 ist nun eine erste Methode gezeigt, wie die Hilfsspannung Ul, in den Stromkreis eingeführt werden kann. Uh wird zunächst über einen Periodenumformer 9 auf die Netzperiodenzahl r0 gebracht, um dann durch einen Transformator 10 in den Stromkreis des Frequenzumformers 7 eingeführt zu werden. Da im übrigen die Schaltung der Fig. 5 der Schaltung der Fig. 4 vollkommen entspricht, wenn man davon absieht, dass die Schlupfleistungsmasehine 2 nun direkt gekuppelt mit der Haupt- maschine 1 ist, so ist es klar, dass die bisherigen Ergebnisse auch auf die Schaltung der Fig. 5 übertragen werden können, wenn man in Gleichung (3) an Stelle von Ut dise neue Spannung
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einführt.
In dieser berücksichtigt ; j. das Übersetzungsverhältnis des Transformators 70. An Stelle der Gleichung (3) bekommen wir also die Gleichung
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vernachlässigt wird. Bei der Anordnung der Fig. 5 ist jedoch noch der Umstand vernachlässigt, dass die in der Hilfswicklung der Asynchronmaschine 1 erzengte Hilfsspannung U@ von der sekundären und primären Streuspannung der Asynchronmaschine und von deren primären Ohmschen Spannungsabfällen ebenfalls mit beeinflusst wird, und dass diese Beeinflussung durch Gegenspannungen wieder ausgeglichen werden muss, wenn die gewünschte Proportionalität zwischen, 72 und der resultierenden Spannung im Stromkreise II erhalten bleiben soll.
Indessen ist es möglieh, durch EinfÜhrung einer weiteren Spannung in den Stromkreis r der
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stellt, dass sie die geschilderten Abweichungen der Hilfsspannung Ut, vom Sollwert wieder ausgleicht, indem sie entsprechende Gegenspannungen in den Stromkreis Einführt. Es lässt sieh dann die Beziehung aufstellen
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Dann bedeutet jj eine Konstante, die mit dein Produkt der Konstanten vor dem Ausdruck t/ in der Gleichung (3) übereinstimmt, während [ j. i bzw. der Ansdruck s.F20.#1 den Einfluss der Hilfsspannung Ut, zum Ausdruck bringt.
Durch Wahl von jj. i, also des Übersetzungsverhältnisses des Transformators 10, ist es möglich, den Einfluss von s. Ex und J2 beliebig gross bzw. beliebig klein zu machen. Bei 1 verschwindet das Glied mit s. E2o als Faktor, so dass J2 von der Schlüpf ung vollständig unabhängig ist.
An dieser Stelle ist hervorzuheben, dass die Anordnung des Transformators 11 in der Schaltung der Fig. 6 an sich nicht notwendig ist, um das gewünschte Ziel zu erreichen. Man kann auch mit der Schaltung der Fig. 5 auskommen, wenn man nämlich den Transformator 5 derart bemisst und in der Phase einstellt, dass er auch noch die Aufgabe des Transformators 11 der Fig. 6 mit übernimmt. Dies ist ohne weiteres möglich, da die Sekundärspannungen der Transformatoren 5 und 11 sich nach den gleichen Gesetzen ändern.
Es kann noch nachgewiesen werden, dass es durch die getroffenen Massnahmen möglich ist, den Wirk-und den Blindleistungsaustauseh der asynchronen Maschinen mit dem Netz beliebig zu regeln. Diese Regelung kann sieh dabei nach den Diagrammen der Fig. 7 und 8 vollziehen. Der Primärstrom J1 der Asynchronmaschine setzt sich in diesen Diagrammen aus drei Komponenten zusammen, die erste Komponente 0. 1 eilt der primären Klemmenspannung U1 um 90'0 voraus. Sie stellt den Magnetisierungs- strom der asynchronen Maschine dar. Die zweite Komponente ist APo. Sie ist der Spannung lodes
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Die dritte Komponente ist durch die Strecke P0P gegeben. Im Untersynchronismus (s > 0) ist sie der primären Klemmenspannung U1 entgegengesetzt, im Übersynchronismus mit Pi gleichgerichtet. Der Endpunkt P des Primärstromes J, lient also auf einer durch Po gelegten Parallelen zur Ul-Richtung. Der Proportionalitätsfaktor zwischen der Schlüpfung und der Komponente POP kann durch Wahl von pi beliebig geändert werden. Bei . i-= o ist die Änderung von PoP mit der Sehlüpfung sehr gross ; bei (1. = l dagegen ist PoP gleich Null, so dass die Wirkkomponente von J1 von der Schlüpfung vollkommen unabhängig ist. Die Blindkomponente von J1 ist von der Schlupfung völlig unabhängig.
Im Synchronismus (Punkt P0) bekommen wir je nach der Phase von U. entweder Motorwirkung (Fig. 7) oder Generatorwirkung (Fig. 8) oder auch einen reinen Blindstrom. Der Blindstrom kann durch Uo beliebig geregelt
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andere Phasenanlage gegenüber der Spannung in der sekundären Hauptwicklung der Asynehronmaschine gibt, was durch Vertauschung der Sehleifringanschlüsse oder Änderung der Anschlusspunkte der Sebleifringe an der Hilfswicklung ohne weiteres erreicht werden kann. Man ist also, um es kurz zu sagen, mit Hilfe der hier in Frage kommenden Erfindung in der Lage. der asynchronen Maschine sowohl hinsichtlich der Wirk-als auch der Blindleistung jede gewünschte Charakteristik zu erteilen.
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verwendet.
Der von der Hilfsspannung Ul, herrührende Erregerstrom J, wird. durch einen Widerstand 9 geregelt. In beiden Fällen arbeiten die Transformatoren 5 und 6 auf den Stromkreis IV. Dagegen ist der Frequenzwandler 7, der kompensiert oder unkompensiert sein kann, in Fig. 9 in den Stromkreis III, in Fig. 10 in den Stromkreis IV eingeschaltet.
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der Stromkreis IV durch einen Widerstand induktionslos gemacht, während in Fig. 13 die Induktionsfreiheit des Stromkreises IV in derselben Weise wie bei der Anordnung nach Fig. 4 erreicht ist. Die Schaltung der Fig. 11 hat den Nachteil, dass im Synchronismus der Transformator 9 auf der sekundären Seite von Gleichstrom durchflossen wird.
Dies ist bei den Schaltungen der Fig. 12 und 1 3 vermieden.
Schliesslich ist noch zu erwähnen, dass der praktisch ruekwirkungslose Transformator auch in den primären Stromkreis an Stelle des sekundären Stromkreises der asynchronen Maschinen eingeschaltet werden könnte. Er müsste dann auf eine asynchrone Maschine mit der gleichen Schlupfperiodenzahl wie die Hauptmasehine arbeiten und die Spannung dieser asynchronen Maschine in irgendeinen Erregerstromkreis eingeführt werden.
Die oben geschilderten Kommutatormaschinen, deren Erregerwicklung an annähernd rÜck- wirkungslose Transformatoren angeschlossen sind, brauchen nicht besonders angeordnet zu werden, falls eine Kommutatormasehine bereits vorhanden ist, die zu anderen Zwecken dient. Auch braucht die Kommutatormaschine nicht besonders angetrieben zu werden, man kann vielmehr dieselbe von der Welle der Hauptmaschine antreiben lassen. tin solcher Fall ist in Fig. 14 dargestellt. Als Kommutatormaschine dient die mit der Hauptmaschine gekuppelte Sehlupfmasehine. Durch den praktisch rüekwirkungslosen Kupplungstransformator 7 wird in den Erregerstromkreis 777 der Kommutatormaschine eine Spannung eingeführt, die zu der gewünschten Komponente des Erregerstromes führt.
Diese der Schlupfperiodenzahl proportionale Stromkomponente hat die Aufgabe, in der Kommutatormaschine eine Spannung der Drehung zu erzeugen, die die gewünschte Grösse und Phase besitzt.
In den vorstehenden Ausführungen wurde gezeigt, dass es möglich ist. den Verlauf der Wirk-und der Blindkomponente des Primärstromes zu regeln und in Abhängigkeit von der Schlüpfung beliebig zu gestalten, d. It. die gewünschte Charakteristik der Maschine zu erreichen, wenn die Schlupfmaschine mit konstanter Drehzahl angetrieben wird und eine einstellbare Spannung zur Verfügung steht, die der Leerlaufspannung s. E20 der Hauptmaschine proportional ist. Diese Spannung wird bei der Schaltung der Fig. 14 durch eine passend angetriebene. möglichst rüekwirkungslose asynchrone Maschine 6 erzeugt.
Die Primärwicklung dieser Maschine wird von einem regelbaren Transformator. 9 gespeist, der am gleichen Netz wie die Hauptmaschine liegt. In der Sekundärwicklung der asynchronen Maschine wird eine Spannung . s. E2o induziert, wenn mit ; j. eine Zahl bezeichnet wird, die dem Übersetzungsverhältnis des Transformators 9 proportional ist. Dagegen ist die Bedingung konstanter Drehzahl der Schlupfmasehine in diesem FalJe nicht erfüllt, so dass das gewünschte charakteristische Verhalten der Haupt-
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Schaltbild der Fig. 14 beispielsweise durch den Phasenkompensator 10. Der Phasenkompensator wird durch einen Drehstrommotor, der mit einer Spannung (z.
B. Schleif ringspannung der Hauptmaehine) der Schlupffrequenz gespeist wird, angetrieben. Durch diese Massnahme werden cler Strom J4 im Strom- kreise IV s. E20 und die sekundäre Spannung des Transformators 8 82. E20 proportional. Im Erregerstromkreise III der Kommutatormaschine : 2 sind die folgenden Spannungen eingeführt : Zunächst die konstante, jedoch regelbare Spannung U des Frequenzumformers o. dann die vom Strome J2 herrÜhrende
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stromkreis 111 ein Phasenkompensator 3 eingeschaltet, der die Aufgabe hat, den Blindwiderstand des Stromkreises Ill zu kompensieren.
Durch diese Massnahme, d. h. durch die Einführung einer Spannung, die s2. E2o proportional ist,
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das gewünschte charakteristische Verhalten annimmt.
In derselben Weise wäre es möglich, auch das zweitgrösste Störungsglied, das 82. J2 proportional ist. zu entfernen. Man müsste einen dritten rüekwirkungslosen Transformator anordnen und die Primärwicklung
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ist. ist die Sekundärspannung des Transformators 7. Man müsste also die Primärwicklung des neuen rückwirkungslosen Transformators nach Kompensierung der Induktivität dieses Stromkreises an die Sekundärspannung des Transformators 7 legen und den Sekundärstromkreis des neuen Transformators in den ErregerstromkreisIIIeinführen.
Die Schaltung der Fig. 14 hat den Nachteil, sehr grosse Transformatoren 7, 8 und 9 und sehr
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auf den Erregerstromkreis der verhältnismässig grossen Schlupfmaschine arbeiten. Eine ganz bedeutende Verkleinerung der nötigen Kopplungstransformatoren und Hilfsmaschinen lässt sieh erreichen, wenn man die genannten Transformatoren und Maschinen auf den Erregerstromkreis einer mit konstanter oder annähernd konstanter Drehzahl angetriebenen Kommutatormaschine wirken lässt und die Kommu-
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gezeichnet. Im Stromkreis III ist an Stelle des Phasenkompensators 3 der Fig. 14 die viel kleinere, schnellaufende Kommutatormaschine. 3 eingeschaltet.
Auf den Erregerstromkreis IV der Kommutatormaschine 3 arbeiten : Die Kopplungstrans-
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Der Blindwiderstand dieses Stromkreises wird durch eine passend angetriebene asynchrone Maschine 12, deren Sekundärwicklung durch Kondensatoren li belastet ist, kompensiert. An Stelle der Kondensatormasehine 12 könnte auch irgendein anderes Mittel, z. B. ein Phasenkompensator wie in Fig. 14 oder ein passender Widerstand, treten.
Die Schaltung der Fig. 15 hat den weiteren, sehr wesentlichen Vorteil, dass es möglich ist. das gewünschte charakteristische Verhalten der Hauptmasehine so genau zu erreichen, als ob die Sehlupf- maschine 2 mit konstanter Drehzahl umliefe.
An Stelle der praktisch rückwirkungslosen asynchronen Maschine 6 kann auch, wie oben gezeigt wurde, die korrigierte Spannung einer Hilfswicklung im Läufer der Hauptmaschine treten. Dieser Fall ist in Fig. 16 gezeichnet. Der Transformator 6 hat die Aufgabe, die Hilfsspannung zu korrigieren, während durch den Transformator 9 die korrigierte Hilfsspannung auf den gewünschten Wert gebracht wird. Im übrigen ist die Schaltung der Fig. 16 mit jener der Fig. 15 gleichwertig.
Eine weitere wesentliche Verkleinerung der Transformatoren 7, 8 und 9 und der asynchronen Maschinen 6 und 12 liesse sich durch Anordnung einer weiteren Kommutatormasehine 10 erreichen, die die Aufgabe hätte, die Kommutatormaschine ; 3 zu erregen. Im Erregerstromkreis 7V der Kommutator- maschine 10 sind dann vier der Schlüpfung proportionale Spannungen vorhanden. Die ersten drei von praktisch rückwirkungslosen Kopplungstransformatoren herrührenden Spannungen sind proportional dem Sekundärstrom der Hauptmasehine bzw. dem Erregerstrom der Schlupfmaschine bzw. dem Erregerstrom der im Erregerstromkreis der Schlupfmaschine befindlichen Kommutatormasehine.
Die vierte rührt von einer praktisch rückwirkungslosen, passend angetriebenen asynchronen Maschine 6 her. deren Primärspannung durch einen Stufentransformator 9 geregelt werden kann. Der Blind-
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(z. B. Ohmscher Widerstand, Phasenkompensator usw.) treten könnte, um dem Stromkreise die Induktivität zu nehmen. Ebenso selbstverständlich ist es, dass ein Teil der genannten Spannungen auch im Erregerstromkreise F eingeführt werden könnte.
Bei den Schaltungen sämtlicher Figuren ist angenommen worden, dass die Spannung des Frequenzumformers 5 in den Erregerstromkreis der Schlupfmaschine eingeführt wird. Indessen ist es möglich, die Spannung auch in andere Stromkreise, z. B. in den Stromkreis V der Fig.] 7 oder in den Sekundärstromkreis der Hauptmaschine einzuführen. Im ersteren Falle wurde der Frequenzumformer eine wesentliche Verkleinerung, im letzteren eine wesentliche Vergrösserung erfahren.
Bei allen den Schaltungen ist es auch möglich, die Eommutatormaschine im Erregerstromkreis der Schlupfmaschine auch parallel zu den in Reihe geschalteten Erregerwicklungen der Schlupfmaschine und des rückwirkungslosen Transformators zu sehalten.
Bei sämtlichen Schaltungen ist es auch möglich, die Hilfskommutatormaschinen durch die Welle der Hauptmaschine anzutreiben, also auf die konstante Drehzahl zu verzichten. Will man in diesem Falle das angestrebte Ziel hinsichtlich des charakteristischen Verhaltens der Hauptmasehine erreichen, so sind ausser den bei konstanter Drehzahl der Kommutatormaschinen erforderlichen Kopplungstransformatoren auch solche erforderlich, die 82. E20 bzw. 82. J, proportionale Spannungen erzeugen.
Die dabei zu treffenden Schaltungen sind bereits weiter oben besehrieben.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Regelung von Asynchronmaschinen, in deren Sekundärstromkreis eine auf die Drehzahl einwirkende Kommutatorhintermaschine eingeschaltet ist, insbesondere für Regelsätze, bei
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proportional dem Schlupf anwachsende, die Sekundärspannung der Asynchronmaschine mindestens teilweise aufhebende Spannung und eine zweite. vom Sehlupf unabhängige den Belastungsstrom im Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine erzeugende Spannung eingeführt wird.
mit einem mit der Primärwicklung in den Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine eingeschalteten Stromtransformator, dessen Sekundärspannung der Erregerwicklung der Kommutatorhintermaschine zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromtransformator in seiner Grösse und Phase derart bemessen und eingestellt ist, dass seine über die Kommutatorhintermaschine in den Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine eingeführte Spannung die durch den Belastungsstrom erzeugte induktive Streuspannung im Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine aufhebt (Fig. 4).
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Arrangement for the regulation of asynchronous machines.
The invention relates to an arrangement for regulating the speed or also the phase compensation of asynchronous machines by means of commutator rear machines connected in cascade with the asynchronous machines. The invention relates in particular to those control systems in which a load current independent of the slip is thereby generated on the asynchronous machine.
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Voltages are introduced, one of which cancels the secondary voltage of the asynchronous machine with every slip, while the second voltage is independent of the slip and generates the load current.
Another feature of the subject of the application is that a current transformer (in particular a rotary transformer) is switched on in a manner known per se in the secondary circuit of the asynchronous machine, the secondary winding of which feeds the excitation winding of the commutator rear machine and which according to the invention is dimensioned and adjusted in its size and phase
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The conducted voltage cancels the inductive stray voltage generated by the load current. This eliminates the undesirable influence of this inductive stray voltage on the control process, which is of great importance especially in the case of the described asynchronous machines with performance that is independent of slip.
If the commutator rear machine is mechanically coupled to the asynchronous machine and its speed fluctuations participate, the transformer according to the invention can also be used to compensate for the deviations of the terminal voltage of the commutator rear machine from the setpoint caused by the speed changes by introducing additional voltages.
The invention is explained in more detail below using the exemplary embodiments in the drawing.
Fig. 1 shows a part of the overall circuit of the invention, including the current transformer and the commutator rear machine, Fig. 2 shows a vector diagram of the voltages and currents introduced and generated by the current transformer in the commutator rear machine, Fig. I1 shows a vector diagram for the currents and voltages the polyphase current transformer and the associated circuit of the primary and secondary windings of the current transformer, FIGS. 4, 5 and 6 show overall circuits according to the invention, FIG.
7 and 8 represent vector diagrams
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Commutator machine represents a homme- tator rear machine which is switched into the secondary circuit of an asynchronous machine and which is excited in the stator with slip frequency. The commutator machine 1 and the primary winding of the practically reactionless transformer 2 are traversed by the current J1, the frequency of which is equal to the slip frequency of the asynchronous machine. A voltage E12 of the alternating induction is induced in the secondary winding of the transformer 2, which lags the current J1 by 90, i.e. is in phase with j.J1 of the vector diagram of FIG. 2 if the windings of the transformer are coaxial with one another.
But if you twist the secondary winding with respect to the primary, which is possible in the case of a rotary transformer, by the angle 1. so
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assumed that E12 is the j. J1 lag by angle α. The excitation current J2 of the commutator machine J is in phase or at least approximately in phase with E12 if the ohmic resistance 3 in the circuit II is large compared to the reactance.
The voltage U1 generated in the commutator machine is either in phase or includes 1800 with J2. : A voltage U1 can thus be generated by means of the specified arrangement which includes any angle (in FIG. 2 [90 + tJ.] 0) with respect to the current J1.
The easiest way to achieve the desired phase shift between J1 and E12 is to use a rotary transformer.
But you can also use a static transformer to set any angle between J1 and E12. You only need to split the secondary winding into two or more parts and switch them appropriately. In Fig. 3 it is shown how this can be done. In the primary winding
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happen, which changes its direction when passing through the synchronism. In order to increase the mobility of the rotary transformer, it is provided with ball bearings. If the torque of the rotary transformer is not sufficient to carry out the mentioned adjustment, a small three-phase motor could support the torque of the rotary transformer.
This would have to adjust the rotary transformer in the desired sense in a direct coupling or via a gear train. The motor would have to be fed by a voltage corresponding to the number of slip periods, i.e. preferably from the slip ring voltage of the main machine. By appropriately attached stops on the rotary transformer or on the mentioned small auxiliary motor, the desired positions for sub-or. Define oversynchronism. When using a normal transformer, however, a change in the circuit is necessary in the case of oversynchronism. Only in the special case in which the Winkei a. Is zero, changing the circuit is out of the question.
It is also possible to connect the secondary windings of any number of transformers in series in the circuit of the excitation winding of one and the same commutator machine, the primary windings of which are connected to different circuits with the same variable frequency and thereby generate different voltages in the commutator machine mentioned The primary currents of the transformers are in certain proportions of size and phase. Such an arrangement is shown in FIG. The slip performance machine. 2 and the exciter 3 of the slip power machine are driven by a motor 4 with a constant or approximately constant speed.
In circuit II, the primary winding of transformer 5 is switched on, and in circuit III, the primary winding of transformer 6 is switched on. The secondary windings of the transformers 5 and 6 are switched on in the exciter circuit IV of the commutator machine 3, which is still fed by the period converter 7, which carries the Sehlupf- frequency. This current circuit IV must be made induction-free in some way so that there is proportionality between the voltages introduced and the current J4. This can be done by switching on an inductionless resistor 8 of the appropriate size. However, this method has the disadvantage that the transformers are too powerful. 5 and 6 and the period converter 7 to lead.
Instead of increasing the ohmic resistance, it is therefore more advantageous to cancel the induction voltage of the circuit IV. This can be done by arranging a coimped machine 9, a transformer 10 and an inductive resistor 11, that is to say according to the method of the invention.
The voltage introduced into the circuit IV by the transformer 6 is of such magnitude and phase adjusted that it introduces a voltage into the excitation circuit 111 via the commutator machine 3 which cancels the self-induced voltage of this excitation circuit III.
Likewise, the size and phase of the secondary voltage of the transformer 5, which is primarily fed by the secondary current of the asynchronous machine 1, is dimensioned and set in such a way that it passes through the commutator machines. 3 and 2 introduces a voltage into the secondary circuit of the asynchronous machine that compensates for the secondary and primary stray voltages and ohmic voltage drops at the asynchronous machine 1 in their influence on the secondary current of the asynchronous machine.
It can be shown that with suitable dimensioning and setting of transformers 5 and 6 the equation applies:
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Here s means the slip of the asynchronous machine in percentages, E20 the secondary voltage of the asynchronous machine at standstill and with the rotor winding open. Uo the voltage of the period converter 7, J2 the secondary current of the asynchronous machine./s. ? g, the ohmic resistances of the
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formators 5 and 6.
It is therefore possible, for example, to obtain the above simple relationship for the secondary current J2 through the arrangement of two approximately reactionless transformers whose primary windings are in the circuits 11 and 111 of FIG. 4 and whose secondary windings work on the circuit IV.
If J2 changes as a function of the gap and Uo according to equation (3), then
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while the reactive power is practically independent of the hatching. However, since it may be desirable under certain circumstances that the effective power changes less or not at all with the ventilation, it should first be shown how this can be achieved. We have the opportunity to show the application of the invention using further examples.
In order to make the dependency of the active power on the hatching smaller or completely
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the main machine is driven either directly or via a gear drive and its primary windings are connected to the mains voltage U1. A voltage proportional to the slip could then be taken from the secondary winding of this machine. This arrangement has the disadvantage of requiring a relatively large auxiliary machine. It is better to arrange a second winding in the rotor of the main machine, from which an auxiliary voltage U @ can then be taken.
In Fig. 5 a first method is now shown how the auxiliary voltage U1 can be introduced into the circuit. Uh is first brought to the network period number r0 via a period converter 9, in order then to be introduced into the circuit of the frequency converter 7 by a transformer 10. Since the circuit of FIG. 5 corresponds completely to the circuit of FIG. 4, if one disregards the fact that the slip power machine 2 is now directly coupled to the main machine 1, it is clear that the previous results also apply to the Circuit of FIG. 5 can be transferred if one uses the new voltage in equation (3) instead of Ut
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introduces.
Considered in this; j. the transformation ratio of transformer 70. So instead of equation (3) we get the equation
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is neglected. In the arrangement of FIG. 5, however, the fact that the auxiliary voltage U @ generated in the auxiliary winding of the asynchronous machine 1 is also influenced by the secondary and primary stray voltage of the asynchronous machine and by its primary ohmic voltage drops is also neglected, and that this is influenced by Counter voltages must be balanced again if the desired proportionality between, 72 and the resulting voltage in circuit II is to be maintained.
However, it is possible, by introducing a further voltage into the circuit
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ensures that it compensates for the described deviations of the auxiliary voltage Ut from the setpoint value by introducing corresponding counter voltages into the circuit. It then lets you establish the relationship
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Then jj means a constant which is the same as your product of the constants before the expression t / in the equation (3), while [j. i or the pressure s.F20. # 1 expresses the influence of the auxiliary voltage Ut.
By choosing yy. i, i.e. the transformation ratio of the transformer 10, it is possible to reduce the influence of s. To make Ex and J2 as large or as small as desired. At 1 the term with s disappears. E2o as a factor so that J2 is completely independent of hatching.
At this point it should be emphasized that the arrangement of the transformer 11 in the circuit of FIG. 6 is not per se necessary in order to achieve the desired goal. The circuit of FIG. 5 can also be used if the transformer 5 is dimensioned and adjusted in phase in such a way that it also takes over the task of the transformer 11 of FIG. 6. This is easily possible since the secondary voltages of the transformers 5 and 11 change according to the same laws.
It can still be demonstrated that the measures taken make it possible to regulate the active and reactive power exchange of the asynchronous machines with the network as required. This control can be carried out according to the diagrams in FIGS. 7 and 8. The primary current J1 of the asynchronous machine is made up of three components in these diagrams, the first component 0.1 leads the primary terminal voltage U1 by 90'0. It represents the magnetizing current of the asynchronous machine. The second component is APo. She is the tension lodes
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The third component is given by the distance P0P. In undersynchronism (s> 0) it is opposite to the primary terminal voltage U1, in oversynchronism it is rectified with Pi. The end point P of the primary current J1 therefore runs on a parallel to the U1 direction laid by Po. The proportionality factor between the slip and the component POP can be changed as required by choosing pi. At. i- = o the change in PoP with the gap is very large; at (1. = l, on the other hand, PoP is zero, so that the active component of J1 is completely independent of the hatching. The reactive component of J1 is completely independent of the hatching.
In synchronism (point P0), depending on the phase of U., we get either a motor effect (Fig. 7) or a generator effect (Fig. 8) or a pure reactive current. The reactive current can be regulated as required by Uo
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There is another phase system compared to the voltage in the secondary main winding of the asynchronous machine, which can be easily achieved by swapping the slip ring connections or changing the connection points of the slip rings on the auxiliary winding. So, to put it briefly, one is in a position with the help of the invention in question here. to give the asynchronous machine any desired characteristic both in terms of active and reactive power.
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used.
The excitation current J arising from the auxiliary voltage Ul, becomes. regulated by a resistor 9. In both cases the transformers 5 and 6 work on the circuit IV. On the other hand, the frequency converter 7, which can be compensated or uncompensated, is connected to circuit III in FIG. 9 and to circuit IV in FIG. 10.
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the circuit IV is made inductionless by a resistor, while in FIG. 13 the freedom from induction of the circuit IV is achieved in the same way as in the arrangement according to FIG. The circuit of FIG. 11 has the disadvantage that, in synchronism, direct current flows through the transformer 9 on the secondary side.
This is avoided in the circuits of FIGS. 12 and 13.
Finally it should be mentioned that the practically inactive transformer could also be switched into the primary circuit instead of the secondary circuit of the asynchronous machines. It would then have to work on an asynchronous machine with the same number of slip periods as the main machine and the voltage of this asynchronous machine would have to be introduced into some excitation circuit.
The commutator machines described above, whose excitation windings are connected to almost non-reactive transformers, do not need to be specially arranged if a commutator machine is already available that is used for other purposes. The commutator machine does not need to be specially driven either; it can be driven by the shaft of the main machine. Such a case is shown in FIG. The Sehlupmehine coupled with the main machine serves as the commutator machine. Due to the practically inactive coupling transformer 7, a voltage is introduced into the excitation circuit 777 of the commutator machine, which voltage leads to the desired component of the excitation current.
This current component, which is proportional to the number of slip periods, has the task of generating a voltage of rotation in the commutator machine that has the desired magnitude and phase.
In the above it has been shown that it is possible. to regulate the course of the active and reactive components of the primary current and to design it as required depending on the slip, d. It. To achieve the desired characteristics of the machine when the slip machine is driven at constant speed and an adjustable voltage is available that corresponds to the no-load voltage s. E20 is proportional to the main engine. This voltage is in the circuit of FIG. 14 by a suitably driven. as inactive asynchronous machine 6 is generated.
The primary winding of this machine is from a controllable transformer. 9, which is on the same network as the main machine. There is a voltage in the secondary winding of the asynchronous machine. s. E2o induced when using; j. a number is designated which is proportional to the transformation ratio of the transformer 9. In contrast, the condition of constant speed of the slip machine is not met in this case, so that the desired characteristic behavior of the main
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The circuit diagram of FIG. 14, for example, by the phase compensator 10. The phase compensator is operated by a three-phase motor which is supplied with a voltage (e.g.
B. grinding ring voltage of the main machine) the slip frequency is fed, driven. As a result of this measure, the current J4 in the circuit IV s. E20 and the secondary voltage of the transformer 8 82. E20 proportional. In the excitation circuit III of the commutator machine: 2 the following voltages are introduced: First the constant, but controllable voltage U of the frequency converter or then the one from the current J2
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circuit 111 switched on a phase compensator 3, which has the task of compensating for the reactance of the circuit III.
By this measure, d. H. by introducing a voltage that s2. E2o is proportional,
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adopts the desired characteristic behavior.
In the same way it would also be possible to have the second largest perturbation term, which is proportional to the 82nd J2. to remove. You would have to arrange a third inactive transformer and the primary winding
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is. is the secondary voltage of transformer 7. So you would have to connect the primary winding of the new non-reactive transformer to the secondary voltage of transformer 7 after compensating the inductance of this circuit and introduce the secondary circuit of the new transformer into the exciter circuit III.
The circuit of Fig. 14 has the disadvantage of very large transformers 7, 8 and 9 and very large
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work on the excitation circuit of the relatively large slip machine. A very significant reduction in the size of the necessary coupling transformers and auxiliary machines can be achieved if the transformers and machines mentioned are allowed to act on the excitation circuit of a commutator machine that is driven at constant or approximately constant speed and the communication
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drawn. In circuit III, instead of phase compensator 3 in FIG. 14, there is the much smaller, high-speed commutator machine. 3 switched on.
Work on the excitation circuit IV of the commutator machine 3: The coupling trans-
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The reactance of this circuit is compensated for by a suitably driven asynchronous machine 12, the secondary winding of which is loaded by capacitors li. Instead of the capacitor circuit 12, any other means, e.g. B. a phase compensator as in Fig. 14 or a suitable resistor occur.
The circuit of FIG. 15 has the further, very important advantage that it is possible. to achieve the desired characteristic behavior of the main machine as precisely as if the suction machine 2 were rotating at a constant speed.
Instead of the practically reactive asynchronous machine 6, as shown above, the corrected voltage of an auxiliary winding in the rotor of the main machine can also be used. This case is shown in FIG. The transformer 6 has the task of correcting the auxiliary voltage, while the corrected auxiliary voltage is brought to the desired value by the transformer 9. Otherwise, the circuit of FIG. 16 is equivalent to that of FIG.
A further substantial reduction in size of the transformers 7, 8 and 9 and the asynchronous machines 6 and 12 could be achieved by arranging a further commutator machine 10, which would have the task of the commutator machine; 3 to excite. Four voltages proportional to the slip are then present in the excitation circuit 7V of the commutator machine 10. The first three voltages originating from practically reactionless coupling transformers are proportional to the secondary current of the main machine or the excitation current of the slip machine or the excitation current of the commutator machine located in the excitation circuit of the slip machine.
The fourth comes from a practically reactive, suitably driven asynchronous machine 6. whose primary voltage can be regulated by a step transformer 9. The blind
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(e.g. ohmic resistance, phase compensator, etc.) to take the inductance of the circuit. It goes without saying that some of the voltages mentioned could also be introduced into the excitation circuit F.
In the circuits of all figures it has been assumed that the voltage of the frequency converter 5 is introduced into the excitation circuit of the slip machine. However, it is possible to transfer the voltage to other circuits, e.g. B. in the circuit V of FIG.] 7 or in the secondary circuit of the main machine. In the former case, the frequency converter has experienced a substantial reduction in size, in the latter a substantial increase in size.
In all of the circuits, it is also possible to keep the eommutator machine in the excitation circuit of the slip machine parallel to the series-connected excitation windings of the slip machine and the non-reactive transformer.
With all circuits it is also possible to drive the auxiliary commutator machines through the shaft of the main machine, i.e. to forego the constant speed. If one wants to achieve the desired goal with regard to the characteristic behavior of the main machine in this case, then, in addition to the coupling transformers required at constant speed of the commutator machines, those that generate 82. E20 or 82. J, proportional voltages are required.
The circuits to be met are already described above.
PATENT CLAIMS:
1. Arrangement for the control of asynchronous machines, in the secondary circuit of which a commutator rear machine acting on the speed is switched on, especially for rule sets
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proportional to the slip increasing, the secondary voltage of the asynchronous machine at least partially canceling and a second voltage. independent of the Sehlupf the load current in the secondary circuit of the asynchronous machine generating voltage is introduced.
with a current transformer connected with the primary winding in the secondary circuit of the asynchronous machine, the secondary voltage of which is fed to the excitation winding of the commutator back-up machine, characterized in that the size and phase of the current transformer is dimensioned and set in such a way that it is introduced into the secondary circuit of the asynchronous machine via the commutator back-up machine Voltage cancels the inductive stray voltage generated by the load current in the secondary circuit of the asynchronous machine (Fig. 4).