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Easkadenschaltung von Asynchronmaschine und Konullutatorhilltermaschille.
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Auch bei der Kupplung von Kraftübertragungsnetzen durch einen Umformer, bestehend aus einem an das eine Netz angeschlossenen Asynchronmotor mit Kommutatorhintermasehine und einer weiteren, an das zweite Netz angeschlossenen Maschine, kann die Aufgabe gestellt sein, dass unabhängig von der veränderlichen Schlüpfung der mit Kommutatorhintermasehine ausgestatteten Asynchronmaschine die
Summe aus deren Leistung und aus der Leistung weiterer Verbraucher des einen der beiden Netze konstant sein oder auch einem von den Betriebsbedingungen der Netze abhängigen Gesetz folgen soll.
Die Erfindung betrifft somit die bekannte Kaskadensehaltung von Asynchronmaschine und Kommu- I tatorhintermaschine, bei der Wirk-und Blindleistung der Asynchronmaschine durch einen Erregerkreis der Hintermaschine von der Schlüpfung wenigstens angenähert unabhängig gemacht und proportional dem Strom eines zweiten Erregerkreises sind. Erfindungsgemäss wird dieser zweite Erregerkreis mit der geometrischen Differenz aus einem beliebig regelbaren und vorzugsweise konstanten Strom und aus einem zusätzlichen Strom erregt, welcher der Stromaufnahme von weiteren der Asynchronmaschine parallel geschalteten Verbrauchern proportional ist.
Zweck der Anordnung ist, Proportionalität zwischen der beliebig regelbaren und vorzugsweise konstanten Komponente des Erregerstromes der Hintermasehine und der gesamten, dem Asynchronmotor und den parallel liegenden Verbrauchern zugeführten Leistung zu erreichen.
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aber für beliebige Phasenzahl gilt. a ist derjenige Teil des gesamten Netzes, dessen Leistungsaufnahme geregelt und beispielsweise konstant gehalten werden soll. Er ist über die Leitung a, an das übrige Netz angeschlossen. Ausser verschiedenen, durch b angedeuteten Erzeugern oder Verbrauchern elektrischer Energie ist an den Netzteil a die Asynchronmaschine c angeschlossen, die mit dem Schwungrad d und einer beliebigen weiteren Maschine e, z.
B. einem einen Walzmotor speisenden Generator, gekuppelt ist. f ist die mit der Asynchronmaschine ebenfalls gekuppelte Kommutatorhintermasehine, die mit der Kompensations- und Reihenschlusserregerwicklung g und zwei weiteren Erregerwicklungen h, i ausge-
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aus über einen Widerstand k solcher Grösse gespeist, dass die von ihrem Strom in der Hintermaschine induzierte Rotationsspannung bei jeder Sehlüpfung der Schleifringspannung des Asynchronmotors f wenigstens angenähert entgegengesetzt gleich ist. Die Wicklung i wird von den Kommutatorbürsten des Frequenzwandlers l über einen Widerstand m gespeist, durch den der Widerstand des Stromkreises auf einen praktisch konstanten Betrag erhöht wird.
An den Widerstand'in kann noch die später zu erläuternde, über das Getriebe q angetriebene Maschine it angeschlossen sein. Die Schleifringe des Frequenzumformers sind an die in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen der Transformatoren o und p angeschlossen. Die Primärwicklung des Transformators o wird von der Netzspannung gespeist. Die Primärwicklung des Transformators p wird vom Strom der Verbraueher b (oder einem diesem proportionalen Strom) durchflossen. Der Transformator o ist mit kleinem magnetischem Widerstand ausgeführt, der
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strom angenähert proportional ist.
Entsprechend der Zusammensetzung der den Frequenzumformer l speisenden Spannung kann der Gesamtstrom der Erregerwicklung i und damit auch der Strom des netzfrequenten Teiles des zweiten Erregerkreises (bei Vernachlässigung des Magnetisierungsstromes des Frequenzumformers) in zwei Komponenten zerlegt werden, die wir im hochfrequenten Teil des Kreises mit i, und i2 bezeichnen.
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Vernachlässigung seines Magnetisierungsstromes) dem Strom der Erregerwicklung i der Hintermaschine proportional. Auch der Strom J1 kann also in zwei Komponenten zerlegt werden, deren eine der Komponente i"deren andere der Komponente i2 des gesamten Erregerstromes proportional und gegen diese Komponente um einen konstanten Winkel phasenversehoben ist.
Der Transformator o ist so geschaltet. dass wenigstens einer Komponente des Stromes i, eine motorische Stromaufnahme des Asynchronmotors c entspricht. Die genaue Phasenlage des Stromes i, wird noch näher erläutert werden. Der Transformator p ist so geschaltet, dass bei motorischem Wirkstrom der Verbraucher b die diesem Strom entsprechende primäre Stromkomponente der Asynchronmaschine c der induzierten Spannung gleichgerichtet ist, wobei die Asynchronmaschine als Generator arbeitet. Vom Netz aus betrachtet, ist also diejenige Komponente des Primärstromes des Asynchronmotors, die durch den Strom der übrigen Verbraucher bedingt ist, diesem Strom entgegengerichtet.
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Bemessung der Anlage ab.
Bei entsprechender Bemessung wird c,. c-l, wobei das Minuszeichen durch die oben erläuterte Schaltung des Transformators 1"bedingt ist.
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Er ist also der Komponente i, des Erregerstromes der Hintermasehine proportional und gegen sie um einen konstanten Winkel phasenverschoben. Bei der Anordnung nach Fig. 1 sind also die gesamte, dem Netzteil a zugeführte Wirkleistung und die Blindleistung den in bestimmter Richtung wirkenden, aufeinander senkrechten Komponenten des Erregerstromes proportional. Die über die Leitung a1 fliessende Wirkleistung und Blindleistung können durch Regelung der entsprechenden Komponenten von 1 auf jeden Wert eingestellt werden.
Hat der Strom i, nicht, wie bisher angenommen, eine Komponente. die auf Leistungsaufnahme der Asynchronmaschine wirkt, sondern eine Komponente entgegengesetzter
Richtung, so liefert der Netzteil a über die Leitung a, eine dieser Komponente proportionale Wirkleistung in das übrige Netz. Der Erregerstrom i1 kann nach Grösse und Phasenlage betriebsmässig konstant sein oder auch in gewissen Zeitabschnitten geregelt oder schliesslich dauernd und selbsttätig in Abhängigkeit von irgendeiner Betriebsgrösse gesteuert werden.
Solange der augenblickliche Leistungsbedarf der angetriebenen Maschine e grösser als die
Leistungsaufnahme der Asynchronmaschine c ist, gibt das Schwungrad Leistung ab und die Drehzahl des Asynchronmotors sinkt, im entgegengesetzten Fall steigt sie. Zwischen dem Transformator p und der Asynchronmaschine c können beliebige weitere Verbraucher liegen. Der Transformator p muss aber stets so geschaltet sein, dass er den gesamten zu regelnden Netzstrom nach Abzug des Stromes der
Asynchronmaschine c führt.
Die Maschine e kann auch ein auf ein zweites Netz arbeitender Generator sein, wobei das Schwung- rad d entbehrlich sein kann. Der Transformator p muss dabei nicht an das Netz a angeschlossen sein ; er kann vielmehr auch an das zweite Netz geschaltet werden, nur muss sein Sekundärstrom dabei auf die Sehlupffrequenz des Asynchronmotors umgeformt werden. Ist der Transformator an das zweite Netz angeschlossen, so regelt er die Summe aus der Umformerleistung und der Leistung eines Teiles des zweiten
Netzes.
Die Schaltung Fig. 1 ist nur als Ausführungsbeispiel zu bewerten. An Stelle der direkt gekuppelten
Hintermaschine kann eine getrennt angetriebene Maschine treten. Statt der unmittelbaren Erregung der Hintermaschine ist auch Erregung über eine Einzel-oder Doppelerregermaschine möglieh, welche von den in Fig. 1 die Hintermasehine erregenden Spannungsquellen erregt wird. Auch die Erregerwicklung i der Hintermaschine bzw. der Erregermaschine kann in verschiedenen Schaltungen gespeist werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gibt Fig. 2, in der nur der Erregerkreis vom Netz bis zur Erreger- wicklung i der Hintermaschine bzw. der Erregermasehine gezeichnet ist. Es gelten dabei die gleichen
Bezeichnungen wie in Fig. 1. An die Schleifringe des Frequenzumformers sind zwei Stromkreise ange- schlossen. Den Schleifringen wird von der Sekundärspannung des Transformators o über einen konstanten
Widerstand r und ausserdem parallel dazu von der Sekundärwicklung des Transformators p je eine Strom- komponente zugeführt. Die Primärwicklung des Transformators p wird vom Strom der Verbraucher b durchflossen. Der Transformator ist mit kleinem magnetischem Widerstand ausgeführt, so dass sein
Sekundärstrom dem Strom der Verbraucher b proportional ist. Der gesamte, dem Frequenzumformer
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die gleichen Gesetzen wie bei Fig. 1 gehorchen.
Der zwischen der Erregerwicklung i und dem Frequenzumformer l liegende Widerstand m der Fig. 1 kann dabei wegfallen. Die Teilströme iJ und können auch in verschiedenen Erregerwicklungen fliessen, die ihrerseits mit der ersten Erregerwicklung kombiniert werden können. Wird durch entsprechende Bemessung das Produkt Cj. c (Gleichung l) nicht-l, sondern gleich-a gemacht, so wird der über die Leitung a1 fliessende Strom nach Gleichung 3 J = ej + (1-a) J............. (3a)
Durch Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Transformators p kann bei sonst unveränderter Schaltung die Grösse a auf jeden Wert eingestellt werden.
Die Regelung der Stromkomponente i1 nach Grösse und Phasenlage kann in bekannter Weise, z. B. durch Übersetzungsänderung des Transformators o, erfolgen. Schliesslich kann an Stelle der ständergespeisten Hintermaschine eine läufergespeiste Maschine treten.
Da durch Nebeneinflüsse der Primärstrom J, des Asynchronmotors c dem Strom der zweiten Erregerwicklung nicht in aller Strenge proportional ist, folgt auch der über die Leitung a, zufliessende Strom nicht genau den durch Gleichung 3 und 3 a festgelegten Gesetzen. Doch kann die Abweichung des Stromes J vom Sollwert durch Wirk-und Blindleistungsregler, welche beispielsweise den Strom der zweiten Erregerwicklung beeinflussen, ausgeglichen werden.
Muss in der Anordnung nach Fig. 1 (ohne die zum Erregerkreis parallel geschaltete Maschine n) das Schwungrad d während längerer Zeit Energie aufnehmen, weil der Leistungsbedarf der Maschinen b und e zu gering ist, so steigt die Drehzahl der Asynchronmaschine während dieser Zeit dauernd an und kann unzulässig hohen Wert erreichen.
Um diese Gefahr zu vermeiden, soll der Primärstrom der Asynchronmaschine nicht bei jeder Drehzahl dem durch Gleichung 2 festgelegten Gesetz folgen ; seine motorische
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Wirkkomponente soll vielmehr beim Erreichen einer bestimmten Drehzahl unabhängig vom Strom des
Frequenzumformers zu Null werden und bei Überschreiten dieser Drehzahl ihre Richtung umkehren ; damit geht zwar die dem Netzteil a zugeführte Wirkleistung zurück, die Gefahr einer unzulässigen Dreh- zahlsteigerung der Asynchronmaschine c wird aber vermieden.
Die Leistung der Asynchronmasehine e wird bei einer bestimmten Drehzahl zu Null, wenn dabei der resultierende, die Wirkleistung beeinflussende
Strom der zweiten Erregerwicklung zu Null wird oder wenn der Strom der ersten Erregerwicklung sieh gegenüber dem Wert, bei welchem die von ihm induzierte Rotationsspannung der Schleifringspannung des Hauptmotors entgegengesetzt gleich ist, derart ändert, dass durch die Änderung die Einwirkung des zweiten Erregerkreises aufgehoben wird. Diese Beeinflussung des Erregerstromes kann in an sieh bekannter Weise durch Einschaltung einer Sperrvorrichtung in den ersten oder den zweiten Erregerkreis erreicht werden. Als Beispie'einer solchen Sperrvorrichtung ist in Fig. 1 die Maschine 11 gezeichnet.
Sie besteht aus einem Kommutatoranker, der von einem ruhenden oder rotierenden Bleehpaket für den magnetischen
Schluss der Kraftlinien umgeben ist und der durch äusseren Antrieb, z. B. vom Asynchronmotor e aus, über das Getriebe q mit solcher Drehzahl angetrieben wird, dass er bei einer bestimmten Drehzahl des Hauptmotors der Spen'drehzahl", synchron mit der Schlupffrequenz des Hauptmotors läuft ; auf dem Kommutator schleifen drei Bürsten in gleichem Abstand, die an Anzapfpunkte des Widerstandes ru angeschlossen sind. Der Kommntatoranker it nimmt einen Teil des dem Widerstand M : zugeführten Stromes auf.
Bei jeder von der Sperrdrehzahl abweichenden Drehzahl des Hauptmotors ändert sich die relative Lage der Läuferdurchflutung der Machine n und die des Läufers dauernd ; der Läufer wirkt als induktiver oder kapazitiver Widerstand, so dass seine Stromaufnahme gering ist und der Anschluss dieser Sperrvorrichtung die Stromverteilung im übrigen Teil nicht wesentlich beeinflusst. Läuft dagegen der Hauptmotor mit der Sperrdrehzahl, so rotiert die Durchflutung der Maschine il synchron mit dem Läufer, ist also ihm gegenüber in Ruhe ; der Läufer stellt dabei nur einen geringen Ohmschen Widerstand dar.
Er schliesst also die Anzapfpunkte des Widerstandes m fast widerstandslos kurz und hintert den Übergang des über den Frequenzumformer l zugeführten Stromes in die Erregerwieklung i. Das Drehmoment des Hauptmotors wird also bei der Sperrdrehzahl wenigstens angenähert zu Null. Die Sperrdrehzahl des Hauptmotors ist also identisch mit seiner Leerlaufdrehzahl. An Stelle der gezeichneten Sperrvorrichtung können andere an sich bekannte, in Reihe zum Erregerkreis geschaltete Anordnungen treten.
Soll die Leerlaufdrehzahl des Hauptmotors seiner synchronen Drehzahl gleich sein, so kann als Sperrvorrichtung an Stelle einer rotierenden Maschine auch ein ruhender in den niederfrequenten Teil de,
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Arbeitet die Asynchronmaschine mit ihrer Leerlaufdrehzahl, so ist sie durch die Sperrvorrichtung vom Einfluss des über den Frequenzumformer zugeführten Stromes befreit. Dies ist für den Fall. dass der
Strom des Frequenzumformers motorische Arbeit der Asynchronmaschine einzustellen sucht, verlangt, um eine unzulässige Drehzahlsteigerung zu vermeiden.
Die Sperrvorrichtung ist aber in der bisher beschriebenen Ausführung auch wirksam, wenn der Strom des Frequenzumformers generatorische Arbeit der Asynchronmaschine einzustellen sucht, die aus den Schwungmassen der Asynchronmaschine gedeckt und somit eine Drehzahlsen1.. mg unter den Leerlaufwert bewirken würde. Hat die Drehzahl der Asynchron- maschine den Leerlaufwert erreicht, so ist also bei der beschriebenen Ausführung eine Drehzahlsenkung nur möglich, wenn die vom Asynchronmotor angetriebene Maschine e einen bestimmten Leistungsbedarf hat, der bei Leistung Null der Asynchronmaschine aus dem Schwungrad gedeckt wird und somit eine Drehzahlsen1.. mg bewirkt.
Ist die Drehzahl unter den Leerlaufwert gesunken, so wird die Sperrvorrichtung wirkungslos, die Asynehronmasehine arbeitet wieder nach dem durch Gleichung 1 vorgeschriebenen
Gesetz. Dagegen versagt, wie erläutert, die Anordnung, wenn bei Leerlauf der Asynchronmaschine c die Wirkstromaufnahme der Verbraucher b (Fig. 1) den konstanten für die Leitung a, verlangten Betrag überschreitet. Die Asynchronmaschine sollte dabei unter dem Einfluss der Hintermasehine als Generator arbeiten, was aber, solange die Sperrvorrichtung wirksam ist, nicht möglich ist.
Die geschilderte Schwierigkeit kann dadurch beseitigt werden, dass die Hintermaschine bzw. die
Erregermasehine noch mit einem konstanten zusätzlichen Erregerstrom erregt wird, der, wenn er allein wirksam wäre, eine generatorische Leistung des Hauptmotors einstellen würde, die kleiner als die dem
Strom entsprechende Leistung ist. Dieser zusätzliche Erregerstrom kann auch als Komponente des
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liegt etwas unterhalb der Sperrdrehzahl.
Hat bei Leistungsabgabe der Anschlüsse b der Strom i2 eine dem Strom i, gleichgerichtete Komponente, so liegt die Drehzahl des Hauptmotors noch etwas höher, kann aber nie die Sperrdrehzahl erreichen, weil bei dieser der Hauptmotor infolge des zusätzlichen Erreger-
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stromes, der bei dieser Drehzahl ausschliesslich zur Wirkung kommt, als Generator arbeitet. Hat bei Leistungsaufnahme der parallelen Verbraucher b der Strom i2 selbst eine auf generatorische Arbeit des Hauptmotors wirkende Komponente, so liegt die Leerlaufdrehzahl des Hauptmotors noch tiefer als wenn der Strom 1 : 2 Null ist.
Stets liegt also infolge der Einwirkung des zusätzlichen Erregerstromes der Hintermaschine die Leerlaufdrehzahl des Hauptmotors tiefer als diejenige Drehzahl, bei welcher durch die Sperrvorrichtung die Wirkkomponente des Summenstromes + ganz wirkungslos geworden ist. Die Leistung des Hauptmotors bleibt also auch bei seiner Leerlaufdrehzahl vom Strom des zweiten Erregerkreises abhängig.
Die Drehzahl fällt also bei eintretendem Bedarf nach generatorischer Arbeit, auch wenn sie vorher den Leerlaufwert erreicht hatte, wenigstens etwas ab, so dass sie bald unter den Wirksamkeitsbereich der Sperrvorrichtung sinkt, wobei dann der Strom der Leistung a, wieder dem durch Gleichung 3 oder 3a festgelegten Gesetz folgt.
Ein anderes Mittel, das Verharren des Hauptmotors in der Leerlaufdrehzahl bei eingetretenem Bedarf nach generatorischer Arbeit der Maschine zu verhindern, besteht darin, dass bei eingetretenem Bedarf nach generatoriseher Arbeit eine Umschaltung vorgenommen wird. Bedarf nach generatorischer Arbeit liegt vor, wenn der aus den Teilströmen t, und i2 resultierende Strom des Frequenzumformers l (Fig. l) eine auf generatorisehe Arbeit des Hauptmotors wirkende Komponente hat. Ob eine Komponente dieser Richtung vorhanden ist, kann auf verschiedene an sich bekannte Weise festgestellt werden, z. B. durch Vergleich des Stromes il + i2 mit einem unabhängigen Strom konstanter Richtung. Ein Ausführungsbeispiel für eine solche Anordnung zeigt Fig. 3, in der nur der zweite Erregerkreisder Hintermaschine bzw.
Erregermaschine einezeichnet ist. a, i und l bis q haben gleiche Bedeutung wie in Fig. 1. zist ein Relais, das die verlangte Umschaltung einleitet. Es besteht aus zwei gleichachsig liegenden Spulen f) und. Die Spulet ist vom Summenstrom + i2, die Spule'1'2 von einem zusätzlichen konstanten Strom der Netzfrequenz durchflossen. Die Phasenlage dieses zusätzlichen Stromes ist durch entsprechende Wahl der die Spule speisenden Spannung so eingestellt, dass seine Durchflutung gleichphasig mit der Durchflutung der Spule r, ¯ ist, wenn in dieser ein Summenstrom i, i-i2 fliesst, der ohne Einwirkung auf die Blindleistung eine generatorische Wirkleistung des Hauptmotors einstellt. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist die Spule vom Netz a aus über einen Widerstand s gespeist.
Solange der Summenstrom i1 + i2 eine auf generatorische Arbeit des Hauptmotors wirkende Komponente hat, ziehen sich die Spulen r, und 1'2 an, bei auf motorische Arbeit wirkender Komponente stossen sie sich ab. t ist ein im Erregerkreis liegender Schalter, dessen Stellung infolge mechanischer oder elektrischer Kupplung mit dem Relais 7 von der zwischen den Spulen 1') und 1'2 bestehenden Kraftrichtung abhängt. Bei Abstossung der Spulen liegt der Schalter in der Stellung fj. Die Schaltung des Erregerkreises ist dabei identisch mit der in Fig. 1. Bei Anziehung der Spulen geht der Schalter in die Stellung t2 über.
Dabei ist nur ein bestimmter Bruchteil der sekundären Windungszahl der Transformatoren o und p eingeschaltet und deren Sekundärspannung im gleichen Verhältnis reduziert ; gleichzeitig aber wird parallel zu dem durch die Sperrvorrichtung n beeinflussten Kreis m-i eine weitere Erregerwicklung il der Hintermaschine bzw. der Erregermasehine über einen Widerstand me an die Kommutatorbürsten des Frequenzumformers 1 angeschlossen. Wicklung i1 und Widerstand m, sind so bemessen, dass für gleichen Induktionsfluss der Transformatoren 0 und p die resultierende Durchflutung der Wicklungen i und tj und die Summe ihrer Ströme in beide'Stellungen des Schalters t die gleiche ist, solange die Sperrvorrichtung n wirkungslos ist.
Bei der Stellung t1 des Schalters kommt aber die Sperrvorrichtung n voll zur Wirkung, bei der Stellung t2 beeinflusst sie nur den über den Widerstand m zugeführten Strom, nicht den Strom des Widerstandes in,. Bei der Stellung tj des Schalters, also bei motorischem Leistungsbedarf der Asynchronmaschine, ist also die Sperrvorriehtung voll wirksam, bei Bedarf nach generatorischer Arbeit (Stellung t2 des Schalters) ist aber ihr Einfluss so stark abgeschwächt, dass der Hauptmotor, auch wenn er seine Leerlaufdrehzahl erreicht hat, einem Verlangen nach generatorischer Arbeit sofort gehorcht. Statt der in Fig. 3 gezeichneten Schaltung kann das Relais r auch dazu dienen, bei Bedarf nach generatoriseher Arbeit die Sperrvorrichtung n ganz abzuschalten.
Schliesslich kann die Sperrvorriehtung n auch entbehrlich gemacht werden, wenn in der Schaltung nach Fig. 1 bei Erreichen einer bestimmten Drehzahl, z. B. unter Vermittlung eines Zentrifugalschalters, der Erregerkreis i-m unterbrochen wird, so lange nicht Bedarf nach generatorischer Arbeit des Hauptmotors vorliegt. Liegt dieser aber vor, so muss, beispielsweise wieder durch ein Relais r (gemäss der Fig. 3) der Zentrifugalschalter wirkungslos gemacht, also etwa seine Öffnungskontakte überbrückt werden, so dass der Erregerkreis i-m (Fig. 1) auch bei der höchst zulässigen Drehzahl wieder eingeschaltet wird.
Ist eine Sperrvorriehtung vorhanden, so ist sie nur in der Nähe der Sperrdrehzahl wirksam. Erreicht nun der Hauptmotor bei Leerlauf, z. B. infolge plötzlicher Frequenzsenkung, eine Drehzahl, die wesentlich über der Leerlaufdrehzahl liegt, so wird die Sperrvorriehtung wirkungslos, der Hauptmotor kann wieder motorisch arbeiten und sich weiter beschleunigen. Um diese Gefahr zu beseitigen, wird zweckmässig in an sich bekannter Weise in Abhängigkeit von der zeitlichen Reihenfolge der drei Phasenströme in der Sperrvorrichtung eine Umschaltung, z. B. eine Unterbrechung des zweiten Erregerkreises, vorgenommen, wenn die Drehzahl des Hauptmotors über den Leerlaufwert steigt.
Diese Umsehaltung kann beispielsweise
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durch einen an die Sperrvorrichtuug angeschlossenen asynchronen oder synchronen Hilfsmotor, der ja auf Umkehr der Phasenfolge reagiert, bewirkt werden. Auch die Sättigung der Kommutatorhintermaschine oder die Einwirkung eines zusatzlichen Zentrifugalschalters kann dazu dienen, unzulässig hohe Drehzahlsteigerungen zu vermeiden. Da bei voller Wirksamkeit der Sperrvorrichtung der Strom der zweiten Erregerwicklung zu Null wird, verschwindet auch sein Einfluss auf die Blindleistung des Hauptmotors. Soll trotzdem auch im Leerlauf eine Phasenverbeserung des Hauptmotors erreicht werden, so kann man eine die Blindleistung des Hauptmotors bestimmende Stromkomponente der zweiten Erregerwicklung unter Umgehung der Sperrvorriehtung zuführen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Kaskadensehaltung von Asynchronmaschine und Kommutatorhintermaschine, wobei Wirkund Blindleistung der Asynchronmaschine durch einen Erregerkreis der Hintermaschine oder einer die Hmtermasehine erregenden Erregermasehine von der Sehlüpfung wenigstens angenähert unabhängig gemacht und proportional dem Strom einer zweiten Erregerwicklung sind, dadurch gekennzeichnet, dass diese zweite Erregerwicklung entweder mit der geometrischen Differenz von zwei in Reihe geschalteten Spannungen oder von der geometrischen Differenz von zwei in Parallelschaltung zugeführten Strömen gespeist wird, wobei die eine Spannung bzw. der eine Strom beliebig regelbar und vorzugsweise konstant ist, während die andere Spannung bzw.
der andere Strom der Stromaufnahme von weiteren der Asynchronmaschine parallel geschalteten Verbrauchern oder Erzeugern oder einer anderen Betriebsgrösse proportional ist.
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Cascade connection of asynchronous machine and Konullutatorhilltermaschille.
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Even when coupling power transmission networks through a converter, consisting of an asynchronous motor with commutator back-up machine connected to one network and another machine connected to the second network, the task can be that, regardless of the variable slip of the asynchronous machine equipped with commutator back-up machine, the
The sum of their performance and the performance of other consumers of one of the two networks should be constant or should also follow a law that depends on the operating conditions of the networks.
The invention thus relates to the known cascading of asynchronous machine and commutator rear machine, in which the active and reactive power of the asynchronous machine are made at least approximately independent of the slip by an excitation circuit of the rear machine and are proportional to the current of a second excitation circuit. According to the invention, this second excitation circuit is excited with the geometric difference between an arbitrarily controllable and preferably constant current and an additional current which is proportional to the current consumption of other consumers connected in parallel to the asynchronous machine.
The purpose of the arrangement is to achieve proportionality between the arbitrarily controllable and preferably constant component of the excitation current of the rear engine and the total power supplied to the asynchronous motor and the parallel consumers.
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but holds for any number of phases. a is that part of the entire network whose power consumption is to be regulated and, for example, kept constant. It is connected to the rest of the network via line a. In addition to various generators or consumers of electrical energy indicated by b, the asynchronous machine c is connected to the power supply unit a, which is connected to the flywheel d and any other machine e, e.g.
B. a generator feeding a rolling motor is coupled. f is the commutator behind the machine which is also coupled to the asynchronous machine and which is designed with the compensation and series excitation winding g and two further excitation windings h, i
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fed from via a resistor k of such magnitude that the rotational voltage induced by its current in the rear machine is at least approximately the same in opposite directions for each slip ring voltage of the asynchronous motor f. The winding i is fed by the commutator brushes of the frequency converter l through a resistor m, through which the resistance of the circuit is increased to a practically constant amount.
The machine it, which is to be explained later and is driven via the transmission q, can also be connected to the resistor in. The slip rings of the frequency converter are connected to the series-connected secondary windings of the transformers o and p. The primary winding of the transformer o is fed by the mains voltage. The primary winding of the transformer p is traversed by the current of the consumer b (or a current proportional to this). The transformer o is designed with a small magnetic resistance, the
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current is approximately proportional.
According to the composition of the voltage feeding the frequency converter l, the total current of the excitation winding i and thus also the current of the line-frequency part of the second excitation circuit (neglecting the magnetizing current of the frequency converter) can be broken down into two components, which we can use in the high-frequency part of the circuit with i, and i2 denote.
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Neglect of its magnetizing current) proportional to the current of the excitation winding i of the rear machine. The current J1 can also be broken down into two components, one of which is proportional to the component i ″ and the other is proportional to the component i2 of the entire excitation current and is phase-shifted by a constant angle with respect to this component.
The transformer o is connected in this way. that at least one component of the current i corresponds to a motor current consumption of the asynchronous motor c. The exact phase position of the current i will be explained in more detail. The transformer p is connected in such a way that with the active motor current of the consumer b, the primary current component of the asynchronous machine c corresponding to this current of the induced voltage is rectified, the asynchronous machine operating as a generator. Viewed from the network, that component of the primary current of the asynchronous motor that is caused by the current of the other loads is directed opposite to this current.
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Dimensioning of the system.
If dimensioned accordingly, c ,. c-l, the minus sign being caused by the circuit of the transformer 1 ″ explained above.
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It is therefore proportional to the component i, the excitation current of the rear engine, and is phase-shifted by a constant angle with respect to it. In the arrangement according to FIG. 1, the total active power supplied to the power supply unit a and the reactive power are proportional to the mutually perpendicular components of the excitation current that act in a specific direction. The active power and reactive power flowing over the line a1 can be adjusted from 1 to any value by regulating the corresponding components.
If the current i is not, as previously assumed, a component. which acts on the power consumption of the asynchronous machine, but a component opposite
Direction, the power supply unit a supplies an active power proportional to this component to the rest of the network via line a. The excitation current i1 can be operationally constant according to its size and phase position or it can also be regulated in certain time segments or, finally, be controlled continuously and automatically as a function of any operational variable.
As long as the instantaneous power requirement of the driven machine e is greater than that
Power consumption of the asynchronous machine is c, the flywheel delivers power and the speed of the asynchronous motor decreases, in the opposite case it increases. Any further loads can be located between the transformer p and the asynchronous machine c. The transformer p must, however, always be switched in such a way that it receives the entire mains current to be regulated after subtracting the current of the
Asynchronous machine c leads.
The machine e can also be a generator operating on a second network, the flywheel d being dispensable. The transformer p does not have to be connected to the network a; Rather, it can also be connected to the second network, only its secondary current has to be converted to the low-speed frequency of the asynchronous motor. If the transformer is connected to the second network, it controls the sum of the converter output and the output of part of the second
Network.
The circuit of FIG. 1 is only to be evaluated as an exemplary embodiment. Instead of the directly coupled
A separately driven machine can step behind the machine. Instead of the direct excitation of the rear machine, excitation via a single or double excitation machine is also possible, which is excited by the voltage sources which excite the rear machine in FIG. 1. The excitation winding i of the rear machine or the excitation machine can also be fed in various circuits.
Another exemplary embodiment is shown in FIG. 2, in which only the excitation circuit from the network to the excitation winding i of the rear machine or the excitation machine is shown. The same apply
Designations as in Fig. 1. Two circuits are connected to the slip rings of the frequency converter. The slip rings are driven by the secondary voltage of the transformer o over a constant
Resistance r and also a current component supplied in parallel to it from the secondary winding of the transformer p. The primary winding of the transformer p is traversed by the current of the consumer b. The transformer is designed with a small magnetic resistance, so be
Secondary current is proportional to the current of consumer b. The whole, the frequency converter
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obey the same laws as in Fig. 1.
The resistor m of FIG. 1 located between the excitation winding i and the frequency converter l can be omitted. The partial currents iJ and can also flow in different excitation windings, which in turn can be combined with the first excitation winding. If the product Cj. c (equation l) is not made -l, but equal -a, then the current flowing over the line a1 becomes according to equation 3 J = ej + (1-a) J ............. (3a)
By changing the transformation ratio of the transformer p, the variable a can be set to any value with otherwise unchanged circuitry.
The regulation of the current component i1 according to size and phase position can be performed in a known manner, e.g. B. by changing the translation of the transformer o, take place. Finally, a rotor-fed machine can take the place of the post-fed rear machine.
Since the primary current J, of the asynchronous motor c is not strictly proportional to the current of the second field winding due to secondary influences, the current flowing through the line a, does not exactly follow the laws defined by equations 3 and 3 a. However, the deviation of the current J from the setpoint value can be compensated for by means of active and reactive power regulators, which, for example, influence the current of the second field winding.
If in the arrangement according to FIG. 1 (without the machine n connected in parallel to the exciter circuit) the flywheel d has to absorb energy for a long time because the power requirement of the machines b and e is too low, the speed of the asynchronous machine increases continuously during this time and can reach an impermissibly high value.
In order to avoid this danger, the primary current of the asynchronous machine should not follow the law defined by equation 2 at every speed; his motor
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Rather, the active component should be independent of the current when a certain speed is reached
Frequency converter become zero and reverse direction when this speed is exceeded; Although this reduces the active power supplied to the power supply unit a, the risk of an impermissible increase in the speed of the asynchronous machine c is avoided.
The power of the asynchronous machine e becomes zero at a certain speed if the resulting power is influencing the active power
The current of the second excitation winding becomes zero or when the current of the first excitation winding changes in relation to the value at which the rotational voltage it induces is equal to the slip ring voltage of the main motor in such a way that the effect of the second excitation circuit is canceled by the change. This influencing of the excitation current can be achieved in a manner known per se by switching on a blocking device in the first or the second excitation circuit. As an example of such a locking device, the machine 11 is shown in FIG.
It consists of a commutator armature, which is supported by a stationary or rotating sheet metal package for the magnetic
The end of the lines of force is surrounded and the external drive, z. B. from the asynchronous motor e, via the gearbox q is driven at such a speed that it runs synchronously with the slip frequency of the main motor at a certain speed of the main motor of the main motor; three brushes grind on the commutator at the same distance, which are connected to the tapping points of the resistor ru. The commutator armature it absorbs part of the current supplied to the resistor M :.
With each speed of the main motor deviating from the locking speed, the relative position of the rotor flow through the machine n and that of the rotor changes continuously; the rotor acts as an inductive or capacitive resistor, so that its power consumption is low and the connection of this locking device does not significantly affect the current distribution in the rest of the part. If, on the other hand, the main motor is running at the locking speed, the flow through the machine il rotates synchronously with the rotor, so it is at rest in relation to it; the rotor only represents a low ohmic resistance.
It thus closes the tapping points of the resistor m almost without resistance and hinders the transition of the current supplied via the frequency converter l into the excitation voltage i. The torque of the main motor is thus at least approximately zero at the locking speed. The locking speed of the main engine is therefore identical to its idling speed. Instead of the locking device shown, other known arrangements connected in series with the exciter circuit can be used.
If the idling speed of the main motor is to be the same as its synchronous speed, then instead of a rotating machine, a non-moving device can also be used as a locking device in the low-frequency part.
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If the asynchronous machine is working at its idle speed, the blocking device frees it from the influence of the current supplied via the frequency converter. This is just in case. that the
Current of the frequency converter seeks to adjust the motor work of the asynchronous machine, demands in order to avoid an impermissible increase in speed.
The locking device is also effective in the version described so far when the current of the frequency converter seeks to set regenerative work of the asynchronous machine, which would be covered by the flywheel masses of the asynchronous machine and thus cause a speed sen1 .. mg below the idle value. If the speed of the asynchronous machine has reached the idle value, a speed reduction is only possible in the described embodiment if the machine e driven by the asynchronous motor has a certain power requirement, which is covered by the flywheel when the asynchronous machine's power is zero and thus a speed reduction1 .. mg causes.
If the speed has fallen below the idling value, the locking device is ineffective and the asynchronous machine works again according to the one prescribed by equation 1
Law. On the other hand, as explained, the arrangement fails if, when the asynchronous machine c is idling, the active current consumption of the consumer b (FIG. 1) exceeds the constant amount required for the line a. The asynchronous machine should work as a generator under the influence of the rear engine, but this is not possible as long as the locking device is effective.
The problem described can be eliminated by the rear machine or the
Exciter phase is still excited with a constant additional excitation current, which, if it were effective alone, would set a regenerative power of the main motor that is smaller than that
Electricity is equivalent power. This additional excitation current can also be used as a component of the
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is slightly below the locking speed.
If the current i2 has a component rectified to the current i, when the power is output from the connections b, the speed of the main motor is slightly higher, but can never reach the locking speed, because with this the main motor due to the additional excitation
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current, which is only effective at this speed, works as a generator. If the current i2 itself has a component that affects the regenerative work of the main motor when the parallel consumer b consumes power, the idle speed of the main motor is even lower than when the current is 1: 2 zero.
As a result of the action of the additional excitation current of the rear machine, the idle speed of the main motor is always lower than the speed at which the active component of the total current + has become completely ineffective due to the locking device. The power of the main motor thus remains dependent on the current of the second excitation circuit even at its idling speed.
When there is a need for regenerative work, the speed drops at least somewhat, even if it had previously reached the idling value, so that it soon falls below the effective range of the locking device, with the current of power a, again that of equation 3 or 3a established law follows.
Another means of preventing the main motor from remaining at idle speed when there is a need for regenerative work on the part of the machine is to switch over when there is a need for regenerative work. There is a need for regenerative work when the current of the frequency converter l (Fig. 1) resulting from the partial currents t 1 and i2 has a component which acts on the generator work of the main motor. Whether a component of this direction is present can be determined in various ways known per se, e.g. B. by comparing the current il + i2 with an independent current of constant direction. An exemplary embodiment of such an arrangement is shown in FIG. 3, in which only the second excitation circuit of the rear machine or
Exciter machine is drawn. a, i and l to q have the same meaning as in Fig. 1. z is a relay that initiates the required changeover. It consists of two coaxial coils f) and. The total current + i2 flows through the coil, and an additional constant current of the mains frequency flows through the coil'1'2. The phase position of this additional current is set by appropriate selection of the voltage supplying the coil so that its flow is in phase with the flow through the coil r, ¯ if a total current i, i-i2 flows in it, which has no effect on the reactive power sets the active regenerative power of the main motor. In the embodiment of FIG. 3, the coil is fed from the network a via a resistor s.
As long as the total current i1 + i2 has a component that acts on the regenerative work of the main motor, the coils r 1 and 1'2 attract each other; if the components act on the motor work, they repel each other. t is a switch located in the excitation circuit, the position of which, as a result of mechanical or electrical coupling with relay 7, depends on the direction of force between coils 1 ') and 1'2. When the coils are repulsed, the switch is in position fj. The circuit of the excitation circuit is identical to that in FIG. 1. When the coils are attracted, the switch changes to position t2.
Only a certain fraction of the secondary number of turns of the transformers o and p is switched on and their secondary voltage is reduced in the same ratio; at the same time, however, a further excitation winding il of the rear machine or the excitation machine is connected to the commutator brushes of the frequency converter 1 via a resistor me, parallel to the circuit m-i influenced by the locking device n. Winding i1 and resistor m are dimensioned so that for the same induction flux of transformers 0 and p, the resulting flow through windings i and tj and the sum of their currents in both positions of switch t are the same as long as blocking device n is ineffective.
In the position t1 of the switch, however, the locking device n comes into full effect; in the position t2 it only affects the current supplied via the resistor m, not the current of the resistor in. When the switch is in position tj, i.e. when the asynchronous machine requires motor power, the locking device is fully effective, but when there is a need for regenerative work (position t2 of the switch), its influence is weakened so much that the main motor, even when it reaches its idle speed has immediately obeyed a demand for regenerative work. Instead of the circuit shown in FIG. 3, the relay r can also be used to completely switch off the locking device n when required after the generator work.
Finally, the locking device n can also be made dispensable if, in the circuit according to FIG. 1, when a certain speed is reached, e.g. B. mediated by a centrifugal switch, the excitation circuit i-m is interrupted as long as there is no need for regenerative work of the main engine. If this is present, however, the centrifugal switch must be rendered ineffective again, for example by a relay r (according to FIG. 3), i.e. its opening contacts must be bridged, so that the excitation circuit in (FIG. 1) also resumes at the highest permissible speed is switched on.
If there is a locking device, it is only effective in the vicinity of the locking speed. If the main engine is now idling, e.g. B. as a result of a sudden decrease in frequency, a speed that is significantly above the idle speed, the locking device is ineffective, the main engine can work again and accelerate further. In order to eliminate this risk, a switch is expedient in a manner known per se, depending on the time sequence of the three phase currents in the locking device, e.g. B. an interruption of the second excitation circuit, made when the speed of the main engine rises above the idle value.
This conversion can, for example
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by an asynchronous or synchronous auxiliary motor which is connected to the locking device and which reacts to the reversal of the phase sequence. The saturation of the commutator rear machine or the action of an additional centrifugal switch can also serve to avoid impermissibly high increases in speed. Since the current of the second field winding becomes zero when the blocking device is fully effective, its influence on the reactive power of the main motor also disappears. If, despite this, a phase improvement of the main motor is to be achieved even when idling, a current component, which determines the reactive power of the main motor, can be fed to the second excitation winding, bypassing the blocking device.
PATENT CLAIMS:
1. Cascade arrangement of asynchronous machine and commutator rear machine, with active and reactive power of the asynchronous machine being made at least approximately independent of the air circulation and proportional to the current of a second field winding, characterized in that this second field winding is either connected to the geometric difference of two voltages connected in series or from the geometric difference of two currents supplied in parallel, one voltage or one current being controllable as desired and preferably constant, while the other voltage or current is preferably constant.
the other current is proportional to the current consumption of other consumers or generators connected in parallel to the asynchronous machine or to another operating variable.