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Einrichtung zur Erzeugung von ein-oder mehrphasigem Wechselstrom niedriger Periodenzahl mit einer doppeltsynchron laufenden, asynchronen Induktionsmaschine.
Die modernen Dampfturbinen besitzen die Eigenschaft, so schnell zu laufen, dass für die Erzeugung niedriger Frequenzen bei direkter Kupplung derselben mit Drehstrom-oder Wechselstrpmgeneratoren Schwierigkeiten entstehen, wenn man eben niedrige Frequenzen erhalten will.
So kann man z. B. bei 3000 Umdrehungen in der Minute nur mehr zweipolige Maschinen nehmen, wenn die Frequenz 50 in der Sekunde betragen soll ; ist die Maschine vierpolig, so ergeben sich 100 Perioden und will man z. B. nur 25 Perioden erhalten, wie
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Übelstande abgeholfen werden soll, dient ein Induktionsgenerator, welcher Drehstrom oder Wechselstrom von einer Frequenz erzeugt, die nur der Hälfte derjenigen Periodenzahl entspricht, welche sich bei gewöhnlichen Generatoren aus Tourenzahl und Polzahl ergibt und welcher sich demzufolge zur Kupplung mit schnell laufenden Turbinen besonders eignet.
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Der in Rede stehende Generator gehört konstruktiv zur Type der Induktions- generatoren.
Er besteht aus einem Stator und einem mit Schleifringen versehenen Rotor, welche beide in derselben Weise ausgeführt sind wie die der gewöhnlichen Drehstrommotoren.
Dem Rotor werde nun durch Schleifringe Drehstrom von der Periodenzahl v zu-
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Falle im Stator ein Drehstrom von der Frequenz 3 v, im zweiten Falle hingegen nur eine Frequenz v induziert. Ist aber letzteres der Fall, so ergibt sich die Möglichkeit, vom Stator Ströme zu entnehmen, welche dieselbe Periodenzahl haben, wie sie der dem Rotor zugeführte
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Nimmt man ferner einen gewöhnlichen Drehstrommotor an, der durch den Stator an das Netz angeschlossen ist und dessen Rotor, durch eine äussere Kraft angetrieben, in der Richtung des Drehfeldes doppelt so schnell läuft als das Drehfeld, so ist man wiederum in der Lage, Ströme von der nur einfachen Periodenzahl zu erhalten. Bei Synchronismus ist nämlich die Frequenz und die elektromotorische Kraft im Rotor = 0 ; steigt die Tourenzahl des Rotors über den Synchronismus hinaus, so nehmen auch bekanntlich Frequenz und elektromotorische Kraft im letzteren in gleichem Verhältnisse zu. Im speziellen Falle '- = 2 v, d. h. wenn sich der Rotor doppelt so schnell dreht als das 60 im Stator erzeugte Drehfeld, wird die im Rotor induzierte Periodenzahl gleich v oder gleich der Periodenzahl des Netzstromes werden.
Man sieht, dass diese Anordnung mit der oben beschriebenen identisch ist und dass sieh beide nur dadurch voneinander unterscheiden, dass im ersten Falle der Rotor vom Netze erregt wird und er in einem der Richtung des Drehfeldes entgegengesetzten Sinne mit einer Tourenzahl gedreht wird, welche der doppelten Frequenz entspricht, während im zweiten Falle der Stator vom Netze erregt wird, indem die Frequenz der Hälfte der Tourenzahl des Rotors entspricht, während das Drehfeld des Stators mit der Drehrichtung des Rotors denselben Drehsinn besitzt.
Beide Fälle unterscheiden sich im Betriebe dadurch voneinander, dass einmal die Rotorleistung, das anderemal die Statorleistung von einem wattlosen Erregerstrom beeinflusst wird.
In beiden Fällen findet man aber gemeinsame Merkmale : nämlich, dass bei gegebener Polzahl der Maschine und gegebener Periodenzahl des Netzes die Umdrehungszahl des Rotors so gewählt ist, dass die Relativgeschwindigkeit zwischen dem jeweilig induzierten Teil der Maschine und dem induzierenden, vom Netze erregten Drehfelde, sei letzteres im Stator oder im Rotor entstanden, eine Periodenzahl im induzierten Teile ergibt, die der Netzperiodenzahl gleich ist.
Dies ergibt nun die Möglichkeit, die dem induzierten Teile entnommenen Ströme nach entsprechender Transformierung und Synchronisierung demselben Netze zurückzuführen, von welchem der Strom für den erregenden oder induzierenden'Teil entnommen wurde, und man gelangt in beiden oben beschriebenen Fällen zu Generatoren, welche dadurch, dass sie vom Drehstrom erregt werden, und dadurch, dass sowohl der induzierende als auch der induzierte Teil des Generators an dasselbe Netz angeschlossen wird, aus asynchronen in doppeltsynchrone Generatoren verwandelt werden.
Entnimmt man nun dem induzierten Teil des so entstandenen Generators, sei er im
Stator oder im Rotor erregt, in irgendeiner Weise Strom, so beginnt auch der induzierende, erregte Teil des Generators als Induktionsgenerator zu funktionieren, d. h. ebenso wie der induzierte Teil Strom abzugeben.
Die Variation in der Leistung dieses Generators wird ähnlich wie bei den gewöhnlichen Generatoren in der Weise bewerkstelligt, dass zugleich mit der Veränderung in der Dampfzufuhr zum Dampfmotor die Erregerspannung durch Verstellung eines mit einem regelbaren Transformator verbundenen Schaltwerkes variiert wird.
Dass diese doppeltsynchron laufenden Generatoren auch als solche Motoren, nachdem sie mechanisch auf doppelten Synchronismus gebracht wurden, arbeiten können, ist ohneweiters klar und wird hier als bekannt vorausgesetzt ; es nehmen in diesem Falle sowohl Stator als auch Rotor vom Netze Strom auf.
Damit nun die Parallelschaltung des induzierten Teiles mit dem Netze ermöglicht wird, müssen Einrichtungen getroffen werden, welche die Erreichung 1. gleicher Spannung, 2. gleicher PeriodeT1zahl und 3. gleicher Phasen zu bewerkstelligen gestatten.
Bei gleichen Windungszahlen im Stator und Rotor werden, abgesehen von eventuellen Spannungsverlusten, in beiden Teilen gleiche elektromotorische Kräfte induziert ; man wird also behufs Parallelschaltung beider Teile an dasselbe Netz, da dies nun infolge der gleichen Periodenzahl i 111 induzierten und induzierenden Teile möglich ist, im Falle der Erregung vom Rotor aus die Statorströme mit dem Netzstrome in Phase bringen müssen ; im Falle der Erregung vom Stator aus muss dies mit den Rotorströmen geschehen.
Um die induzierte elektromotorische Kraft der Netzspannung bei ungleichen Windungs- zahlen im Stator und Rotor gleich machen zu können, genügt die Zwischenschaltung eines bereits oben erwähnten, in seiner Spannung regelbaren Transformators entweder zwischen Rotor und Netz oder auch zwischen Stator und Netz. In den meisten Fällen wird die erste
Kombination schon aus dem Grunde gewählt werden, weil es konstruktiv bequemer ist, den
Rotor für niedrige Spannung auszuführen und ihn vermittelst eines Transformators an das
Hochspannungsnetz anzuschliessen, während der Stator direkt an das Hochspannungsnetz
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Wird der Transformator regelbar eingerichtet, d. h. so, dass man bei gegebener Netzspannung dem Rotor variable Spannung zuführen kann, so ist es klar, dass man im Stator nicht nur die Netzspannung wird induzieren, sondern auch die Ohmschen und induktiven Spannungsverluste im Bereiche des Generators und Transformators wird kompensieren können.
Fig. 1 zeigt die Schaltnngsanordnnng, wie sie sich aus der bisherigen Beschreibung von selbst ergibt. Es stellt in dieser S schematisch den Stator oder die Statorwicklung, R den Rotor, T den in der Niederspannung regelbaren Transformator und N das Netz dar.
Gleiche Periodenzahl wird in der bekannten Weise durch Variation der Umdrehungszahl unter Zuhilfenahme von Phasenindikatoren erreicht, welche auch zum Synchronisieren der Phasen notwendig sind. Um letzteres in den weitesten Grenzen durchführen zu können, d. h. um die Phasen des induzierten Teiles mit denen des Netzes in Übereinstimmung zu bringen, wird der Stator drehbar um die Rotorachse angeordnet. Beim Verdrehen des Stators lässt sich dann ohneweiters jede gewünschte Phase erreichen, darunter natürlich auch die des Netzes.
An Stelle eines gewöhnlichen, in seiner Spannung regelbaren Transformators kann auch ein durch Ab. oder Zuschaltung von Windungen regelbarer Phasenumformer verwendet worden, in welchem man bekanntlich durch Verdrehung des einen Teiles im anderen Teil die Phase des induzierten Stromes nach Belieben verändern kann. Ein so eingerichteter Phasenumformer ersetzt die Anordnung des um die Rotorachse drehbaren Stators und zugleich den regelbaren Transformator.
Hiemit sind alle Bedingungen für das Synchronisieren des induzierten Teiles gegeben und man gelangt zu einer Einrichtung, welche im Vergleiche mit anderen Betriebssystemen manche erwähnenswerte Vorteile aufweist.
Im Vergleiche mit gewöhnlichen, durch Gleichstrom erregten Generatoren besitzt der beschriebene Generator den Vorteil, dass seine Periodenzahl nur die Hälfte der seiner Tourenzahl entsprechenden Frequenz beträgt. Es wird z. B. ein vierpoliger Generator bei 3000 Umdrehungen pro Minute nur 50 Perioden und nicht 100, ein zweipoliger Generator bei derselben Umdrehungszahl nur 25 und nicht 50 Perioden pro Sekunde geben, was für den Antrieb durch Dampfturbinen von ganz besonderem Werte ist.
Im Vergleiche mit gewöhnlichen asynchronen Induktionsgeneratoren weist er ausser dem höher beschriebenen Vorteile der niederen Periodenzahl auch noch einen höheren Lostungsfaktor auf, da in ihm nur die halbe Leistung mit phasenverschobenem Erregerstrom erzeugt wird.
Er unterscheidet sich wiederum zu seinem Vorteile von den sonstigen mit Drehstrom erregten Generatoren dadurch, dass die Erregung nicht einer besonderen Quelle, sondern demselben Netze entnommen werden kann und wird, für welches Energie zu liefern ist.
Ausserdem ist von einem solchen Generator bei sonst gleichen Verhältnissen ein höherer Nutzeffekt zu erwarten als bei allen anderen Generatorsystemen, u. zw. aus dem Grunde, weil sich die Leistung auf Rotor und Stator gleichmässig verteilt. Während nämlich bei jenen im induzierenden Teil (Polrad bezw. Rotor bei asynchronen Generatoren) Energie verloren geht, ohne dass dieser Teil direkt an der Stromerzeugung teilnimmt, liefert der induzierende Teil des doppeltsynchronen Generators den gleichen Teil Energie wie der induzierte.
Der doppeltsynchronlaufende Induktionsgenerator ist nicht selbsterregend, d. h. er kann nicht, ohne an eine vorhandene Stromquelle angeschlossen zu werden, selbständig Strom liefern. Diesem Übelstande kann man in der Weise abhelfen, dass man neben diesem einen zweiten kleineren Generator aufsteht, der jedoch mit Gleichstrom erregt bei gleicher rohlzahl nur die halbe Umdrehungszahl, oder bei gleicher Umdrehungszahl nur die halbe Polzahl des Induktionsgenerators haben muss. Dieser kleinere Generator, welcher zweckmässigerweise für die Erzeugung von Drehstrom und Gleichstrom eingerichtet werden kann, übernimmt die Rolle des Netzes ; er braucht nur so bemessen werden, dass er imstande ist, den Erregerstrom bei der erforderlichen Spannung zu liefern.
Er kann entweder direkt oder mittels einer Ubersut/ung von der Hauptgeneratorwelle angetrieben werden.
Im Falle des direkten Antriebes, d. h. wenn der Anker der Erregerdynamo mit dem Rotor des doppeltsynchronen Generators auf derselben Welle sitzt (Fig. 2), braucht der erstere keine besonderen Schleifringe zu besitzen, weil seine Wicklung mit der Wicklung des Rotors direkt verbunden werden kann. Besitzt der Erregeranker ausserdem noch einen Kollektor, so kann ihm Gleichstrom für die Erregung des Magnetfeldes der Erregermaschine entnommen werden. Die Regulierung dieses Feldes hat selbstverständlich einen direkten Einfluss auf die Spannung des doppeltsynchronen Generators und es kann hiedurch die Regelbarkeit des oben erwähnten regelbaren Transformators entbehrlich gemacht werden.
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Wie bereits oben erwähnt, ist es für das Synchronisieren der Phasen notwendig, den Stator um seine Achse drehbar anzuordnen. Um aber die Phasen dos Stators und des Rotors mit denen eines anderen Netzes, mit welchem der Generator parallel zu schalten ist, in Koinzidenz zu bringen, kann man auch das Magnetfeld des Erregergenerators drehbar anordnen.
Schliesslich sei noch angeführt, dass sich der doppeltsynchrone Generator auch zur Erzeugung von einphasigem Wechselstrom eignet. Man braucht nämlich, ohne an ihm und dem Regeltransformator irgend welche prinzipielle Änderung vorzunehmen, anstatt von allen dreien nur von zwei der Netzleitungen Strom zu entnehmen und die Dimensionen der elektrischen und magnetischen Teile des Generators sowie des Transformators dem obigen Zwecke entsprechend anzupassen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Eine Einrichtung zur Erzeugung von ein-oder mehrphasigem Wechselstrom geringer Periodenzahl mit einem asynchronen Induktionsgenerator, dessen Stator und Rotor an dasselbe Netz angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor mit einer solchen Tourenzahl mechanisch angetrieben wird, dass zwischen dem jeweilig induzierten Teil der Maschine und dem induzierenden, vom Netze erregten Drehfelde eine Relativgeschwindigkeit besteht, welcher der Synchrongeschwindigkeit gleich ist, zum Zwecke, damit aus dem jeweilig induzierten Teil der Maschine ein- oder mehrphasiger Wechselstrom von der Periodenzahl desselben Netzes erhalten werden kann.