Einrichtung zur willkürlichen Leistungsübertragung zwischen zwei nicht starr miteinander verbundenen Wechselstromnetzen mittelst zweier gekuppelter Synchronmaschinen. Es ist bekannt, dass man bei Synchron- Synchronumformern die übertragene Leistung dadurch regeln kann, dass man den Vektor der Maschinen-EMK in einer der beiden ge- kuppelten Synchronmaschinen gegenüber dem Vektor der Netzspannung um einen gewissen Winkel verdreht.
Diese Verdrehung kann bei spielsweise durch Verdrehung des Stators der Synchronmaschine geschehen oder durch Ein fügung einer EMK zwischen Netz und Syn chronmaschine, welche gegenüber der Netz spannung in der Phase verschoben ist oder durch Verdrehung des Feldes der Synchron maschine gegenüber der Erregerwicklung, letzteres beispielsweise dadurch, dass der Ro tor eine sogenannte zwei- oder mehrphasige Gleichstrom-Erregerwicklung erhält, so dass durch Schwächung des Stromes in der einen und Verstärken des Stromes in der andern Phase der Erregerwicklung eine Verdrehung des re sultierenden Feldes entstellt.
Die angegebenen Mittel sind jedoch nur dann anwendbar, wenn die Spannungsvektoren der beiden Netze, die durch den Synchron-Synchronumformer ver bunden sind, eine feste gegenseitige Lage haben, d. h. wenn die Netze entweder un mittelbar zusammenhängen oder noch durch andere Umformergruppen miteinander starr verbunden sind. Ist dies nicht der Fall, so kann durch die oben erwähnten Mittel nur vorübergehend eine Änderung der durch die Umformergruppe übertragenen Leistung be wirkt werden, weil infolge dieser Leistungs änderung die Netzspannungsvektoren sich so lange gegeneinander verschieben, bis der ur sprüngliche Zustand wieder hergestellt ist.
Erfindungsgemäss kann in solchen Fällen eine beliebige Leistung dauernd übertragen werden, wenn eine der beiden miteinander gekuppelten Synchronmaschinen eine zwei- oder mehrphasige Erregerwicklung trägt und wenn die Stromstärke in den verschiedenen Phasen dieser Erregerwicklung durch eine besondere Regelvorrichtung so geregelt wird, dass eine Drehung des resultierenden Feldes relativ zur Erregerwicklung bewirkt wird, der- art, dass die übertragene Leistung einen be stimmten Wert beibehält.
Die folgende Betrachtung möge die Wir kungsweise dieser Anordnung näher erläutern Denkt man sich zunächst das Erregerfeld der Synchronmaschine gegenüber der Erreger wicklung feststehend, also beispielsweise nur eine der Erregerwieklungsphasen mit Strom gespeist, so müssen die beiden gekuppelten Netze genau synchron. laufen, d. h. ihre Fre quenzen müssen sich ebenso verhalten wie die Polzahlen der beiden miteinander gekup- pelten Synchronmaschinen. Bei ungleicher Be lastung der Netze ist dies im allgemeinen nur möglich, wenn durch die Umformergruppe aus dem einen in das andere Netz eine be stimmte Leistung übertragen wird. Diese Lei stung kann unter Umständen die Leistungs fähigkeit der Umformergruppe weit über steigen.
Soll nun die übertragene Leistung auf einen beliebigen andern Wert eingestellt werden, einen Wert, der nun jedenfalls inner halb der Leistungsfähigkeit der Umformer gruppe liegen soll, so werden diese geänder ten Leistungsverhältnisse wegen der Eigen schaften der Kraftmaschinenregler mit einer Änderung der Frequenzen der beiden Netze verbünden sein. Die Netze werden also nicht mehr synchron laufen, und ihre. Kupplung mittelst zweier Synchronmaschinen ist nur möglich, wenn der EMK-Vektor der einen Maschine nicht mit der Umdrehungszahl der Gruppe, sondern mit einer entsprechend der Differenz der Netzfrequenz davon abweichen den Drehzahl umläuft. Diese Abweichung der Umdrehungszahl des EMK-Vektors von der Umdrehungszahl der Umformergruppe wird aber eben durch die Drehung des Erreger feldes gegenüber der Erregerwicklung der einen Synchronmaschine erreicht.
Unter Synchronmaschinen sind hier alle Maschinen zu verstehen, deren Drehzahl durch die Frequenzen der Netze, an die sie ange schlossen sind, bestimmt, also unabhängig von der Belastung ist. Solche Maschinen sind zum Beispiel auch die bekannten doppelt ge speisten Induktionsmaschinen. Die Erfindung bezieht sich also auch auf Umformer, die aus einer solchen doppelt gespeisten Induktions und einer Synchronmaschine bestehen.
Die konstruktive Ausführung der Vorrich tung, welche die Erregerstromstärke in den verschiedenen Phasen der Erregerwicklung regelt, ist auf verschiedene Arten möglich. Man kann zum Beispiel die verschiedenen Phasen der Erregerwicklung an mehrere von einander unabhängige Spannungsteiler oder Vorschaltwiderstände anschliessen. Die Strom quelle kann trotzdem für alle Phasen der Er regerwicklung dieselbe Gleichstrommaschine oder Batterie sein.
Ein Ausführungsbeispiel hierfür zeigt die Fig. 1. In dieser Figur bedeuten a1 und a2 die beiden miteinander gekuppelten Synchron maschinen, b1 und b2 die beiden Wechsel stromnetze, die durch die Umformergruppe miteinander verbunden sind, ei und c2 die beiden Phasen der zweiphasig angenommenen Erregerwicklung, d1 und d2 die beiden Span- nungsteiler, die aus derselben Stromquelle, der Erregermaschine e, gespeist werden. f1 g1 und f2 g2 sind die beiden Kontaktpaare, durch deren Bewegung die Stromstärke in ei und c2 verändert wird.
Die beiden Kontakte, die zu einer Phase der Erregerwicklung gehören, können gleichzeitig gegenläufig bewegt wer den durch zwei um 180 versetzte Kurbel antriebe mit Parallelführung; es kann aber auch einer der Kontakte in der Mitte des Spannungsteilers feststehen und nur der an dere bewegt werden.
Es ist auch möglich, die verschiedenen Phasen der Erregerwicklung an einen ge meinsamen Spannungsteiler oder Vorschalt widerstand anzuschliessen. Die Fig. 2 zeigt ein Beispiel hierfür. Die Buchstaben haben dieselbe Bedeutung wie in Fig. 1. An Stelle des Spannungsteilers sind hier Vorschaltwider stände d angenommen, au welche die Kon taktbahnen für alle Kontakte f i g, f 2 g_ an geschlossen sind.
In den bisherigen Beispielen müssen die Kontakte eine liin- und hergehende Bewegung - von einem Ende der Kontaktbahn bis an das andere Ende und zurück - ausführen. Dies bedingt für jeden einzelnen Kontakt eine besondere Kontaktbahn. In Fig. 2 zum Beispiel ist anzunehmen, dass jede der beiden gezeichneten Kontaktbahnen die Breite zweier Bürsten hat, so dass die Bürsten aneinander vorbeibewegt werden können. Dieser Nachteil kann vermieden werden, indem erfindungs gemäss die Stufen des Spannungsteilers oder der Vorschaltwiderstände an eine kreisförmige Kontaktbahn angeschlossen werden.
Ein Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 3. Die Buchstaben haben hier dieselbe Bedeu tung wie in Fig. 1 und 2. Der Widerstand ist hier wieder als Spannungsteiler gekenn zeichnet; es ist aber natürlich auch hier mög lich, die Verbindung zwischen je zwei oder drei benachbarten Kontakten, die von den Anschlussstellen der Erregermaschine e gleich weit entfernt sind, wegzulassen und dadurch ans dein Spannungsteiler einfache Vorschalt widerstände zu machen. Die Kontakte f1 g1 und f g2 können bei dieser Anordnung alle in der gleichen Richtung im Kreislauf bewegt werden.
Die Kreisbewegung von Kontakten bezw. Bürsten setzt aber stets voraus, dass der An schluss dieser bewegten Teile an die fest stehenden Wicklungen oder Bürsten über Schleifringe erfolgt. Diese Schleifringe sind in den Fig. 3, 4 und 5 zur Vereinfachung der Darstellung fortgelassen.
Eine besonders vorteilhafte Anordnung er hält man, wenn gleichen Verstellungen der Kontakte längs des Umfanges der Kontakt bahn auch gleich grosse Drehungen des resultierenden Feldes entsprechen, so dass man die Kontakte mit gleichförmiger Ge schwindigkeit an der kreisförmigen Kontakt bahn entlang bewegen kann und dadurch auch eine gleichförmige Drehgeschwindigkeit des resultierenden Feldes gegenüber der Erreger wicklung erhält. Dies kann durch entspre chende Bemessung des Widerstandes der ein zelnen Stufen erreicht werden.
Bei der Anordnung nach Fig. 3 ergeben sich hierfür folgende Bedingungen: Fallen die zu eurer der Feldwicklungen gehörenden Kon- takte, z. B. f1 g1, in die Richtung der An schlusspunkte der Erregermaschine e und sei die Erregerspannung =E, dann ist der Strom i in der Feldwicklung
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wenn gγ der Widerstand der Feldwicklung ist. Dreht man nun die Kontakte um einen Winkel a aus dieser Lage heraus, dann kommt zu dem Widerstand ro noch ein Widerstand gx hinzu, welcher aus dem Widerstand des Spannungs- teilers resultiert und der dem Widerstand gewissermassen vorgeschaltet ist. Dieser Wi derstand gx setzt sich aus zwei parallelen Zweigen zusammen, da der Spannungsteiler in geschlossener Figur angeordnet ist.
Der Strom ix ist demnach durch die Beziehung gegeben:
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Soll die Winkel drehung des Feldes der Winkeldrehung der Kontakte entsprechen, dann müssen bei einem Drehungswinkel a die Erregerströme der Wick lungen C1 und C2 sich nach Sinusfunktionen ändern, und zwar muss, wenn
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ist,
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sein. Die Bedingung, dass der Cosinusfunktion des einen Stromes die Sinusfunktion des andern entspricht, ist durch die zueinander senkrechte Lage der Axen f1 g1 und f 2 g2 erfüllt.
Da nun
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und anderseits
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sein soll, ergibt sich als Bedingungsgleichung die Beziehung
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oder (go + rx) cos a = Konstante. In den bisherigen Ausführungsbeispielen war angenommen, dass die Spannungsteiler oder Vorschaltwiderstände mit der Strom quelle fest verbunden sind, mit den zu spei senden Erregerwicklungen dagegen über ver stellbare Kontakte. Falls die Widerstände als Spannungsteiler ausgebildet sind, ist auch die umgekehrte Anordnung möglich, d. h. die Spannungsteiler können auch. mit den zu speisenden Erregerwicklungen fest verbunden sein, mit der Stromquelle dagegen über ver stellbare Kontakte.
Mau erreicht dadurch unter Umständen eine Verminderung der Zahl der beweglichen Kontakte, da für den An schluss der Stromquelle nur zwei Kontakte erforderlich sind, für den Anschluss der Er regerwicklung dagegen, je nach der Phasen zahl derselben, eine grössere Anzahl Kontakte. Auch schwankt der von der Erregermaschine zugeführte Strom in viel weniger weiten Gren zen als der Strom, der in die Erregerwick lungen fliesst; jedenfalls hat der erstere Strom stets die gleiche Richtung. Das Überschalten von einem Kontakt auf den andern wird also erleichtert, wenn die beweglichen Kontakte den Strom der Erregermaschine führen.
Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel. c1 und c2 sind wieder die beiden Phasen der Erregerwicklung, d die Kontaktbahn mit den Widerständen, nur durch einen Kreis ange deutet, e die Erregermaschine, h1 und h2 die beweglichen Kontakte, durch welche die Er regermaschine mit den Spannungsteiler-Wider- ständen verbunden ist.
Bei der Anordnung nach Fig. 4 muss der Strom in jeder Stufe des Widerstandes beim. Vorübergang eines der beweglichen Kontakte seine Richtung ändern, ähnlich wie in einer Ankerspule einer kommutierenden Maschine. Auch bei den andern bisher betrachteten An ordnungen treten jedenfalls Änderungen der Stromstärke in den einzelnen Stufen des Widerstandes auf. Man kann aber im vor liegenden Fall, im Gegensatz zur kommutie renden Maschine, die Kommutierungsspan nung, soweit sie von der Selbstinduktion, der Widerstandsstufe herrührt, sehr klein halten, indem man jede einzelne Stufe des Wider standes bifilar wickelt.
Im Falle der Anordnung nnit kreisförmi ger Kontaktbahn nach Fig. 3 oder 4 können die beweglichen Kontakte zu einer mechani schen Einheit verbunden und durch einen Hilfsmotor bewegt werden. Auch bei nicht kreisförmiger Kontaktbahn kann ein Hilfs motor beispielsweise mit Kurbelübertragung verwendet erden. Da die Geschwindigkeit, mit der die Kon takte bewegt werden müssen, nach den oben gegebenen Erläuterungen fm wesentlichen von der zu übertragenden Leistung abhängig ist, so kann die Drehzahl des Hilfsmotors durch eine Regelvorrichtung, beispielsweise einen Schnellregler bekannter Bauart, in Abhängig keit von der Umformerleistung geregelt wer den.
Wie durch eine Änderung der Drehge schwindigkeit des resultierenden Feldes die Leistung der Umformergruppe geändert wer den kann, so kann auch durch eine Änderung der Grösse des resultierenden Feldes bei gleich bleibender Drehgeschwindigkeit desselben die scheinbare (wattlose) Leistung der Umformer gruppe beeinflusst werden. Eine Änderung der Grüsse des Feldes ist aber durch eine Ände rung der Spannung der Erregermaschine e möglich, und diese Änderung kann ebenfalls durch eine selbsttätige Reguliervorrichtung, beispielsweise einen Schnellregler bekannter Bauart, in Abhängigkeit von der wattlosen Leistung der Umfornnergruppe erfolgen.
Bei grossen Urnformergruppen kann die Ausführung der Reguliervorrichtung, beson ders der erforderlichen Kontakte und Kon taktbahnen, wegen der grossen zu schalten den Ströme und Spannungen Schwierigkeiten machen. Diese Schwierigkeiten können da durch beseitigt werden, dass die verschiedenen Phasen der Erregerwicklung der Synchron maschine aus besonderen Erregermaschinen gespeist werden und dass die Regelung der Drehgeschwindigkeit des resultierenden Feldes im Erregerstromkreis dieser Erregermaschi nen erfolgt.
Die Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel hierfür. Es bedeuten wieder a1 und a2 die beiden miteinander gekuppelten Synchron maschinen, b1 und b2 die beiden Wechsel stromnetze, die durch die Umformergruppe miteinander verbunden sind, c1 und c2 die beiden Phasen der zweiphasig angenommenen Erregerwicklung. Diese beiden Wicklungs phasen werden hier aus zwei besonderen Er regermaschinen er und e:" gespeist, deren Er regerwicklungen il und i. durch die Regel- vorrichtung d, bestehend aus Kontaktbahn und Spannungsteiler- oder Vorschaltwider ständen, mittelst der beweglichen Kontakte f1 f2 und g1 g2 geregelt werden. k ist die gemeinsame Stromquelle für die beiden Er regerwicklungen i1 und i2.
Device for arbitrary power transmission between two non-rigidly interconnected alternating current networks by means of two coupled synchronous machines. It is known that with synchronous synchronous converters the transmitted power can be regulated by rotating the vector of the machine EMF in one of the two coupled synchronous machines by a certain angle with respect to the vector of the mains voltage.
This rotation can be done, for example, by rotating the stator of the synchronous machine or by inserting an EMF between the network and the synchronous machine, which is shifted in phase with respect to the network voltage, or by rotating the field of the synchronous machine against the excitation winding, the latter for example by that the Ro tor receives a so-called two- or multi-phase direct current excitation winding, so that by weakening the current in one phase and increasing the current in the other phase of the excitation winding, a twisting of the resulting field is distorted.
However, the specified means are only applicable if the voltage vectors of the two networks that are connected by the synchronous-synchronous converter have a fixed mutual position, d. H. if the networks are either directly connected or rigidly connected to one another by other converter groups. If this is not the case, the means mentioned above can only temporarily change the power transmitted by the converter group, because as a result of this change in power, the mains voltage vectors shift against each other until the original state is restored.
According to the invention, any power can be continuously transmitted in such cases if one of the two synchronous machines coupled with one another carries a two- or multi-phase excitation winding and if the current intensity in the various phases of this excitation winding is regulated by a special control device so that a rotation of the resulting field is effected relative to the field winding in such a way that the transmitted power retains a certain value.
The following consideration may explain how this arrangement works.If you first think of the excitation field of the synchronous machine as being fixed in relation to the excitation winding, for example only one of the excitation wave phases is fed with electricity, the two coupled networks must be precisely synchronized. constantly. H. their frequencies must behave in the same way as the number of poles of the two synchronous machines coupled with one another. In the case of unequal loading of the networks, this is generally only possible if a certain power is transmitted by the converter group from one network to the other. Under certain circumstances, this performance can far exceed the performance of the converter group.
If the transmitted power is now to be set to any other value, a value that should now be in any case within the capacity of the converter group, these changed power ratios will combine with a change in the frequencies of the two networks because of the properties of the engine controller his. The networks will no longer run synchronously, and theirs. Coupling by means of two synchronous machines is only possible if the EMF vector of one machine does not rotate with the number of revolutions of the group, but with a number of revolutions that deviates from it according to the difference in the mains frequency. This deviation of the number of revolutions of the EMF vector from the number of revolutions of the converter group is achieved by the rotation of the exciter field with respect to the exciter winding of a synchronous machine.
Synchronous machines are understood here to mean all machines whose speed is determined by the frequencies of the networks to which they are connected, i.e. independent of the load. Such machines are, for example, the well-known double-fed induction machines. The invention therefore also relates to converters which consist of such a double-fed induction machine and a synchronous machine.
The structural design of the device, which regulates the excitation current in the various phases of the excitation winding, is possible in different ways. For example, the various phases of the excitation winding can be connected to several independent voltage dividers or series resistors. The power source can still be the same DC machine or battery for all phases of the excitation winding.
An exemplary embodiment for this is shown in FIG. 1. In this figure, a1 and a2 denote the two synchronous machines coupled to one another, b1 and b2 denote the two alternating current networks that are connected to one another by the converter group, ei and c2 denote the two phases of the two-phase excitation winding assumed, d1 and d2 the two voltage dividers, which are fed from the same power source, the exciter e. f1 g1 and f2 g2 are the two pairs of contacts whose movement changes the amperage in ei and c2.
The two contacts that belong to one phase of the excitation winding can move in opposite directions at the same time, who drives by two crank drives offset by 180 with parallel guidance; but it can also be one of the contacts in the middle of the voltage divider and only the other are moved.
It is also possible to connect the different phases of the field winding to a common voltage divider or ballast resistor. Fig. 2 shows an example of this. The letters have the same meaning as in FIG. 1. Instead of the voltage divider, ballast resistors d are assumed here, au which the contact paths for all contacts f i g, f 2 g_ are closed.
In the previous examples, the contacts have to move back and forth - from one end of the contact path to the other end and back. This requires a special contact path for each individual contact. In FIG. 2, for example, it can be assumed that each of the two contact paths shown has the width of two brushes, so that the brushes can be moved past one another. This disadvantage can be avoided by connecting the stages of the voltage divider or the series resistors to a circular contact path in accordance with the invention.
An exemplary embodiment is shown in FIG. 3. The letters here have the same meaning as in FIGS. 1 and 2. The resistor is here again marked as a voltage divider; However, it is of course also possible here to omit the connection between two or three adjacent contacts that are equidistant from the connection points of the exciter and thus to make simple ballast resistors on your voltage divider. The contacts f1 g1 and f g2 can all be moved in the same direction in the circuit in this arrangement.
The circular movement of contacts respectively. Brushing always requires that these moving parts are connected to the stationary windings or brushes via slip rings. These slip rings are omitted in FIGS. 3, 4 and 5 to simplify the illustration.
A particularly advantageous arrangement is obtained when the same adjustments of the contacts along the circumference of the contact path also correspond to rotations of the resulting field of the same size, so that the contacts can be moved along the circular contact path with a uniform speed and thereby also a uniform one Rotational speed of the resulting field compared to the exciter winding receives. This can be achieved by appropriately dimensioning the resistance of the individual stages.
In the arrangement according to FIG. 3, the following conditions arise for this: If the contacts belonging to your field windings, z. B. f1 g1, in the direction of the connection points to the exciter e and let the excitation voltage = E, then the current i in the field winding
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if g? is the resistance of the field winding. If the contacts are now rotated out of this position by an angle a, a resistor gx is added to the resistor ro, which results from the resistance of the voltage divider and which is to some extent connected upstream of the resistor. This resistance gx is composed of two parallel branches, since the voltage divider is arranged in a closed figure.
The current ix is therefore given by the relation:
EMI0003.0003
If the angular rotation of the field is to correspond to the angular rotation of the contacts, then the excitation currents of the windings C1 and C2 must change according to sinusoidal functions at a rotation angle α, and must if
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is
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his. The condition that the cosine function of one current corresponds to the sine function of the other is fulfilled by the mutually perpendicular position of the axes f1 g1 and f 2 g2.
Because now
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and on the other hand
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should be, the relationship results as a conditional equation
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or (go + rx) cos a = constant. In the previous exemplary embodiments, it was assumed that the voltage dividers or series resistors are permanently connected to the power source, while the exciter windings to be spei send via adjustable contacts. If the resistors are designed as voltage dividers, the reverse arrangement is also possible; H. the voltage dividers can also. be firmly connected to the excitation windings to be fed, but to the power source via adjustable contacts.
Mau can thereby achieve a reduction in the number of moving contacts, since only two contacts are required for connecting the power source, whereas a larger number of contacts are required for connecting the excitation winding, depending on the number of phases. The current supplied by the exciter also fluctuates within much less wide limits than the current that flows into the exciter windings; in any case, the first current always has the same direction. Switching from one contact to the other is made easier if the moving contacts carry the current of the exciter.
4 shows an embodiment. c1 and c2 are again the two phases of the excitation winding, d the contact path with the resistors, only indicated by a circle, e the exciter, h1 and h2 the movable contacts through which the exciter is connected to the voltage divider resistors .
In the arrangement according to FIG. 4, the current in each stage of the resistance at. Passing one of the moving contacts change its direction, similar to an armature coil of a commutating machine. In any case, changes in the current intensity in the individual levels of resistance also occur in the other arrangements considered so far. In the present case, however, in contrast to the commutating machine, the commutation voltage, as far as it comes from the self-induction, the resistance level, can be kept very small by winding each individual level of the resistance bifilar.
In the case of the arrangement with circular contact path according to FIG. 3 or 4, the movable contacts can be connected to a mechanical unit and moved by an auxiliary motor. Even with a non-circular contact path, an auxiliary motor can be used, for example with a crank transmission. Since the speed at which the contacts have to be moved, according to the explanations given above, is essentially dependent on the power to be transmitted, the speed of the auxiliary motor can be controlled by a control device, for example a high-speed regulator of known type, depending on the converter power be managed.
Just as the output of the converter group can be changed by changing the rotational speed of the resulting field, the apparent (wattless) output of the converter group can also be influenced by changing the size of the resulting field while the rotational speed remains the same. A change in the size of the field is possible by changing the voltage of the exciter e, and this change can also be made by an automatic regulating device, for example a fast regulator of known type, depending on the wattless power of the converter group.
In the case of large groups of transformers, the execution of the regulating device, especially the required contacts and con tact paths, can cause difficulties because of the large currents and voltages to be switched. These difficulties can be eliminated by the fact that the different phases of the excitation winding of the synchronous machine are fed from special excitation machines and that the control of the rotational speed of the resulting field in the excitation circuit of these excitation machines takes place.
Fig. 5 shows an embodiment for this. Again, a1 and a2 mean the two synchronous machines coupled to one another, b1 and b2 the two alternating current networks that are connected to one another by the converter group, c1 and c2 the two phases of the two-phase field winding assumed. These two winding phases are fed here from two special excitation machines er and e: ", whose excitation windings i1 and i stand through the control device d, consisting of contact track and voltage divider or ballast resistors, by means of the movable contacts f1, f2 and g1 g2. k is the common power source for the two excitation windings i1 and i2.