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Kompoundierung einer Kaskade, bestehend aus Induktionsmaschine und Kommutator- maschine.
Es ist bekannt, eine aus Induktionsmotor und Kommutatornebenschlussmaschine bestehende
Kaskade auch bei synchroner Drehzahl arbeiten zu lassen dadurch, dass man die Erregerwicklung der
Kommutatormaschine durch einen vom Netz aus gespeisten Frequenzumformer erregt, der mit dem
Hauptmotor synchron läuft. Es ist ferner bekannt, bei vom Synchronismus abweichenden Drehzahlen die Erregung der Kommutatormaschine entweder auch vom Frequenzumformer aus oder von der Schleifringseite des Induktionsmotors aus oder von beiden in Serieschaltung zu speisen. Diese letztgenannte
Schaltung bietet gegenüber den andern wesentliche Vorteile.
Soll nämlich der Hauptmotor bei beliebiger
Stellung seiner Regelorgane (welcher also irgendeine Leerlaufdrehzahl entspricht), bei Leerlauf und Belastung gleich günstig arbeiten, so müssen Grösse und Phase des Nebenschlussfeldes dabei annähernd konstant bleiben. Jeder Belastung entspricht dann aber eine bestimmte Drehzahl und Frequenz im Rotorkreis. Bei Belastungsänderung wechselt also die Frequenz und damit das Verhältnis von Widerstand zur Reaktanz im Erregerkreis und die Konstanthaltung der Phase des Erregerfeldes ist, solange eine
Spannung konstanter Phase die Erregung speist, unmöglich.
Nach Phase und Grösse konstanter Erregerstrom wird aber erreicht, wenn die Erregerwicklung von zwei Spannungen in Serie gespeist wird, deren eine, mit dem Strom in Phase, dem Ohmschen Abfall dieses Stromes gleich ist und also von der Drehzahl unabhängig sein muss, während die andere, dem Strom um 900 voreilend, der Schlupffrequenz proportional und so gross ist, dass sie bei jeder Drehzahl den induktiven Abfall deckt. Die erste Bedingung erfüllt die richtig bemessene Spannung des Frequenzumformers, die zweite Bedingung die richtig transformierte Schleifringspannung. Bei Serienschaltung beider Spannungen. kann also erreicht werden, dass der einmal eingestellte Erregerstrom bei beliebiger Änderung der Drehzahl seine Grösse und Phase beibehält.
Es ist ferner bekannt, eine Kompoundierung des Aggregats dadurch zu erreichen, dass durch einen Serientransformator in den Erregerstromkreis der Kollektormaschine eine dem Rotorstrom der Kaskade und der Schlupffrequenz proportionale Spannung eingeführt wird. Es ist schliesslich bekannt, Phasenkompensation des Hauptmotor dadurch zu erreichen, dass die Rotationsspannung der Kommutatormaschine nicht genau in Gegenphase zur Schleifringspannung, sondern um einen bestimmten Winkel dagegen phasenverschoben eingestellt wird, indem der Erregung von den Schleifringen her ausser der Spannung, die eine in Gegenphase zur Sehleifringspannung befindliche Rotationsspannung bewirken würde, eine dagegen um 900 verschobene Spannung zugeführt wird.
Diese beiden letzten Schaltungen versagen aber bei Synchronismus, da dann sowohl Schleifringspannung als Schlupffrequenz gleich Null sind. Die für Kompoundierung und Phasenkompensation erforderlichen zusätzlichen Erregerströme verlangen bei Synchronismus zwar keine induktive Erregerspannung, wohl aber eine Spannung zur Überwindung ihres Ohmschen Abfalls, die aber nicht vorhanden ist.
Zweck vorliegender Erfindung ist nun, auch bei Synchronismus Kompoundierung und Phasenkompensation zu ermöglichen, indem die zur Überwindung des Ohmschen Abfalles der entsprechenden zusätzlichen Erregerströme notwendigen Spannungen über den Frequenzumformer zugeführt werden, u. zw. dadurch, dass entsprechend den im niederfrequenten Erregerkreis vom Rotorstrom und von der Rotorspannung des Induktionsmotors induzierten Spannungen gleichzeitig im hochfrequenten Erregerkreis (zwischen Frequenzumformer und Netz) vom Primärstrom und Primärspannung des Induktion.
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motors Spannungen induziert werden, die sich genau oder angenähert zu den sekundär induzierten Spannungen verhalten wie der Ohmsche Widerstand zum induktiven Widerstand des Erregerkreises.
Wird ausserdem dafür gesorgt, dass die im hochfrequenten Kreis induzierten Spannungen, die durch den Frequenzumformer in gleicher Grösse auf den niederfrequenten Kreis transformiert werden, hier gegen die unmittelbar im niederfrequenten Kreis induzierten Spannungen zirka 90 nacheilen, so ist auch für die durch Kompoundierung und Phasenkompensation erforderten zusätzlichen Erregerströme die Be- ding, mg erfüllt, dass bei jeder Schlupffrequenz, auch bei Frequenz Null, der Ohmsche Abfall über den Frequenzumformer und der induktive Abfall von den Schleifringen aus gedeckt wird. Während z.
B. ein im niederfrequenten Kreis eingeschalteter Serientransformator mit hohem magnetischem Widerstand, der primär vom Rotorstrom durchflossen ist und sekundär in Serie zur Erregerwicklung liegt, in dieser eine Spannung induziert, die dem Rotorstrom und der Schlupffrequenz proportional ist, wird durch einen im hochfrequenten Kreis (konstante Frequenz) liegenden Serientransformator, der primär vom primären Strom des Induktionsmotors durchflossen ist und sekundär in Serie zum Frequenzumformer liegt, eine nur dem primären Strom der Kaskade proportionale-Spannung in den Erregerkreis eingeführt.
Die Schaltung sei an Hand des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 näher erläutert. Dort bedeutet
1 ein Dreiphasennetz, 2 den Induktionsmotor (Vordermotor der Kaskade), 3 die Kollektormaschine (Hintermotor der Kaskade), 4 einen Frequenzumformer, welcher über den Transformator 5 vom Netz 1
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8 die Kompensationswicklung der Kollektormasehine 3,9 die Schleifringe des Frequenzumformers 4, 10 den Kollektor des Frequenzumformers 4, 11 den Kompoundtransformator im sekundären Stromkreis, 12 einen Kompoundtransformator im primären Stromkreis, 13 den Erregertransformator, an dessen Stelle auch eine von der'Spannung der Schleifringe 6 aus erregte Erregermaschine treten könnte.
Die Schaltung ist aus der Fig. 1 ersichtlich ; der Antrieb des Frequenzumformers erfolgt vorteilhaft von dem Induktionsmotor aus, weil seine Sekundärfrequenz stets'mit der Schlüpffrequenz übereinstimmen soll. Die Erregerwicklung 7 der Kollektormaschine wird von dem an die Schleifringe 6 angeschlossenen Erregertransformator H, gleichzeitig aber auch von dem Frequenzumformer 4 gespeist.
In den durch 13, 7 und 4 gebildeten Erregerkreis wird durch den Kompoundtransformator 11 eine dem Rotorstrom und der Rotorfrequenz proportionale Spannung eingefügt. Der Kompoundtransformator 11 ist primär vom Rotorstrom der Kollektormaschine 3 durchflossen. Um nun aber die Kompoundierung auch im Synchronismus und in dessen Nähe wirksam zu erhalten, ist erfindungsgemäss auch auf der Primärseite des Frequenzumformers ein Kompoundtransformator vorgesehen, dessen Primärstrom der Primärstrom des Induktionsmotors ist. Dieser Kompoundtransformator fügt in den Primärkreis des Frequenzumformers eine Spannung ein, welche allein dem Belastungsstrom der Kaskade proportional, also unabhängig von der Sekundärfrequenz ist und welche daher zur Deckung der Ohmschen Verluste des Erregerkreises erfindungsgemäss verwendet wird.
Der Transformator 5 und der Kompoundtransformator 12 sind gewissermassen das verkleinerte Spiegelbild des Transformators 13 und des Kompoundtransformators 11.
Gleiche Überlegung gilt für die zum Zweck der Phasenkompensation einzuführende Spannung.
Vorausgesetzt ist dabei, dass der primäre Strom des Induktionsmotors dem sekundären entgegengesetzt gleich sei und dass die primäre Spannung gleich der sekundären, dividiert durch den Schlupf, sei. Beide
Annahmen stimmen nicht genau. Der Primärstrom unterscheidet sich vom sekundären Strom um den Magnetisierungsstrom. Da im niederfrequenten Kreis eine dem Sekundärstrom und der Schlupf- frequenz proportionale Spannung eingeführt wird, sollte im hochfrequenten Kreis eine nur dem Sekundär- strom proportionale Spannung eingeführt werden.
Die wirklich eingeführte Spannung, die dem Primär- strom proportional ist, unterscheidet sich also von der verlangten Spannung um einen konstanten Betrag, und dieser Betrag kann nötigenfalls durch einen Nebensehlusstransformator eingeführt werden, der primär an der Netzspannung, sekundär in Serie zum hochfrequenten Kreis des Frequenzumformers liegt. Bei der zum Zweck der Phasenkompensation eingeführten Spannung wird der Unterschied zwischen
Primär-und Sekundärspannung durch den dem Strom proportionalen Spannungsabfall im Induktions- motor bewirkt, und dieser Unterschied kann durch eine dem Strom des Induktionsmotors proportionale
Spannung im hochfrequenten Kreis des Frequenzumformers ausgeglichen werden.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel zur Erläuterung der Phasenkompensation gemäss der Er- findung dargestellt. Die Bezeichnungen sind die gleichen wie in Fig. L Ferner stellt 1d einen Hilfstrans- formator dar, welcher in den aus 13, 7 und 4 gebildeten Erregerkreis eine der Schlüpfspannung und der Schlupffrequenz proportionale Spannung einfügt, deren Phase so gewählt ist, dass sie zur Kompensation der primären Phasenverschiebung des Induktionsmotors dient. Diese Spannung ist aber im Syn- chronismus = 0 und sie allein ist also nicht imstande, die Phasenkompensation im Synchronismus aufrecht zu erhalten.
Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäss in den Primärkreis des Frequenzumformers eine von der Sekundärfrequenz unabhängige, konstante Zusatzspannung eingefügt, deren Phase gegenüber I der dem Frequenzwandler zugeführten Hauptspannung des Transformators 5 die gleiche Grösse und
Lage hat, wie die Phase der Bhlfsspannung des Transformators 14 zur Phase der Erregerspannung des
Transformators 13. Diese primär zugeführte Hilfgspannung kann z. B. dadurch gewonnen werden, dass
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auf den Schenkel des Transformators 5 Zusatzspulen 15 angebracht sind, die in Zickzackschaltung derart kombiniert sind, dass die gewollte Grösse und Phase der Zusatzspannung erreicht wird.
Auch bei dieser Schaltung deckt die primäre Zusatzspannung den Ohmschen Abfall des die Phasenkompensation bewirkenden Erregerstromes, so dass auch im Synchronismus dieser Erregerstrom aufrechterhalten bleibt.
Zun Ausgleich des Phasenunterschiedes der Primärspannung von der Sekundärspannung dient der Hilfskompoundtransformator 16, dessen Sekundärspannung proportional dem Belastungsstrom der Kaskade ist. Bei Leerlauf ist der Phasenunterschied der beiden Spannungen nahezu = 0 ; er wächst mit der Belastung. Aus diesem Grunde ist der Hilfskompoundtransformator 16 zum Ausgleich dieses Phasenunterschiedes für die im Erregerkreis wirkenden Spannungen geeignet.