Einrichtung zur Kupplung zweier Wechselstromnetze durch einen rotierenden Umformer, bestehend aus einer synchronen und einer asynchronen Maschine mit Kommutatorhintermaschine. Werden zwei Wechselstromnetze durch einen rotierenden Umformer gekoppelt, der aus einer synchronen Maschine und aus einer durch eine Kommutatorhintermaschine ge steuerten Asynchronmaschine besteht,
so kann bekanntlich auch bei schwankendem Frequenz- verhältnis der beiden Netze durch entspre chende Einstellung der Erregung und der An kerspannung der Kommutatormaschine in jedem Augenblick die verlangte Leistungs übertragung zwischen beiden Netzen nach Grösse und Richtung eingestellt werden. Wenn von der Ankerspannung der Kommu- tatormaschine gesprochen wird, so ist hier und im folgenden stets nur diejenige Kom ponente der gesamten Spannung gemeint, die in Phase oder Gegenphase zur Schlupf spannung des Hauptmotors ist.
Es ist be kannt, däss eine 90 gegen diese Spannungs komponente verschobene Spannung im Anker kreis die Phasenkompensation des Asynchron- motors beeinflusst. Welche Leistung des LTm- formers verlangt ist, hängt von den Betriebs bedingungen der Anlage ab.
Oft wird vorgescbrieben, dass die vom Umformer über tragene Leistung zwar durch Eingriff der Bedienung oder eines automatischen Beglers auf jeden verlangten Wert eingestellt werden kann, dass sie aber von den betriebsmässig auftretenden Schwankungen im Frequenzver- hältnis beider Netze nicht berührt wird, sondern dabei wenigstens angenähert konstant bleibt.
Diese Bedingung kann bekanntlich dadurch erreicht werden, dass in der Kommu- tatorhintercnascbine eine Spannung induziert wird, die sich aus zwei bei wechselndem Frequenzverhältnis der Netze nach verschie denen Gesetzen sich ändernden Komponenten zusammensetzt. Die eine Komponente soll stets der Schlupfspannung des Asynchron motors entgegengesetzt gleich, also selbst der Schlüpfung porportional sein, die andere soll konstanten Effektivwert haben : ihr ist die Leistung des Umformers proportional.
Oft wird aber auch verlangt, dass die Leistung des Umformers, wenn die Frequenzen beider Netze schwanken, nicht konstant sein soll, sondern dass sie der Abweichung der Frequenz eines Netzes von ihrem Mittelwert proportional sein soll, ohne durch Frequenz schwankungen des andern Netzes beeinflusst zu werden.
Im folgenden bezeichne fi die augenblickliche Frequenz des Netzes, an das die Asynchronmasehine mit der Polpaarzahl pi angeschlossen ist, f2 die des Netzes der Synchronmaschine mit der Polpaarzahl p2, fmi und f.2 seien konstante Bezugswerte beider Frequenzen. Die Leistung des Um formers soll also A (f.1 - fi) oder auch <I>A</I> (f.2 <I>-</I> f2) sein.
Dabei bezeichnet A eine Konstante, ebenso wie in den späteren Glei chungen die Grössen<I>B,</I> C und<I>D.</I> Statt der beiden genannten Ausdrücke setzen wir im folgenden d # (f. <I>- f)</I> und verstehen da runter, je nach den gestellten Betriebsbedin- gungen, die entsprechenden Frequenzwerte des Netzes der Asynchron- oder des Netzes der Synchronmaschine.
Da die Synchronmaschine und damit der Umformer stets mit der Rotationsfrequenz fs arbeitet, ist die Schlupffrequenz der Asyn- chronmaschine
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Ihre Scblupfspannung ist also E8 <I>= B -</I> Fe. Soll der Umformer bei jedem Frequenzver- hältnis, also jeder Schlüpfung der Asynchron maschine mit der gleichen Leistung L ar beiten, so muss, wie schon erwähnt,
die Ankerspannung Ek der Kommutatormaschine sich aus zwei Komponenten Eki und .E1,2 zu sammensetzen und es muss gelten Ek = 1,7k, -E- Ekg - - B . f6 + C - L. Die Spannung Fk hat positives Vorzeichen, wenn sie in die Richtung der untersynchronen Schlupfspannung fällt, andernfalls hat sie negatives Vorzeichen.
Die Leistung L hat positives Vorzeichen, wenn die Asynchron- rnaschine als Motor arbeitet; arbeitet sie als Generator, hat L negatives Vorzeichen.
Soll nun die Leistung L nicht konstant sein, sondern gleich A(fm- <I>f)</I> sein, so wird dies erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Spannung der Kommutatormaschine auf den Wert
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eingestellt wird.
Unabhängig von der beson deren Ausführungsform der Kommutator- rnaschine und von der Art ihrer Erregung wird also der Umformer eine Leistung über tragen, die nach Grösse und Richtung der Frequenzabweichung des einen Netzes von einem konstanten Wert proportional ist, wenn die Spannung der Kommutatorhintermasrhine bei wechselnden Frequenzwerten dem in Gleichung 2 festgelegten Gesetz folgt. Fre- quenzschwankungen des andern Netzes sind dabei ohne Einfloss auf die Leistung.
Bei Berücksichtigung der Magnetisierungskurve der Kommutatormaschine wird durch Glei chung 2 auch die für den Erregerstrom der Maschine zu fordernde Abhängigkeit von den Frequenzwerten festgelegt. Wir setzen im folgenden annähernd konstante Drehzahl der Kommutatormawchine und Proportionalität zwischen Erregerstrom und Kraftfloss der Maschine voraus.
Bei Kupplung der Kommu- tatorma.schine mit der Asynchrorrmaschine schwankt zwar die Drehzahl etwas; doch ist der Einfloss vernachlässigbar. Die Sättigung der ständergespeisten Kommutatorhinterma- suhine ist im folgenden stets so gering vorausgesetzt, dass sie die Proportionalität zwischen Kraftfloss und Erregerstrom nicht wesentlich stört, so dass die Ankerspannung der Maschine dem Erregerstrom proportional gesetzt werden darf.
Bei der läufergespeisten Kommutatormaschine fällt, wie aus dem Späteren hervorgeht, diese Einschränkung weg.
Es gibt je nach der Eigenart des ver wendeten Regelsystems verschiedene Lösun gen, um einen Spannungsverlauf nach Glei chungen 2 bei wechselnden Frequenzwerten zu erzwingen. Die Zahl der Lösungen ist so gross, dass bei ihrer getrennten Beschreibung der Überblick verloren ginge. Es sollen des halb die möglichen Lösungen in einer mehr tabellarischen Form zusammengestellt werden, ans der der Fachmann ohne Schwierigkeit die einzelnen Schaltungen herauslesen kann. Zu unterscheiden ist dabei, ob als Hinterma schine die ständergespeiste oder die läufer gespeiste Kommutatormaschine verwendet wird.
Bei der ständergespeisten Maschine wird angenommen, dass die Ankerrückwirkung vernachlässigbar klein ist, wie es zum Bei spiel bei einer mit Kompensationswicklung ausgestatteten Maschine der Fall ist. Bei der vom Läufer aus mit Netzfrequenz oder an nähernd Netzfrequenz gespeister Maschine ist die Annahme stets zutreffend. <I>A.</I> Ständei-gespeiste Kommutatorhinter- mnschine. Ihr Erregerstrom muss jedenfalls mit der Schlupffrequenz f. (Gleichung 1) pulsieren.
Zu dem Zweck wird der Erregerkreis der Kommutatormaschine entweder mittelbar oder unmittelbar von den Schleifringen des Asynchronmotors aus gespeist oder von den Kommutatorbürsten eines Frequenzumformers oder vom Ankerkreis einer Gleichstromma schine, die mit 3, um 120 gegeneinander versetzten mit der Rotationsfrequenz f, rotie renden Bürsten ausgestattet ist, oder schliess lich vom Sekundärteil eines mit dem Um former gekuppelten, primär an das Netz f1 angeschlossenen Asynchronmotors gleicher Polzahl wie der Hauptmotor.
Der Frequenz umformer kann entweder mit der Rotations frequenz
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oder mit der Rotationsfre quenz f1 angetrieben werden. Im ersten Fall ist seinen Schleifringen eine Spannung der Frequenz f1, im zweiten Fall eine Spannung der Frequenz
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zuzuführen. Dabei ist gleiche Polzahl des Frequenzumformers und der Asynchronmaschine vorausgesetzt. Eine Rotationsfrequenz f. der Bürsten der Gleich strommaschine erhält man, wenn man die Bürsten von einem Differentialgetriebe aus antreibt, das seinerseits durch zwei Synchron motoren der Drehzahlen f i und
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an getrieben wird.
Die nach Gleichung 2 verlangte Spannungs komponente - B # f. kann nach Patent 103572 dadurch gewonnen werden, dass die Erregerwicklung der Kommutatorhinterma- schine von den Schleifringen der Asynchron maschine aus über einen von der Schlupf frequenz unabhängigen, konstanten Wider stand erregt wird, der bei jeder betriebs mässig auftretenden Schlüpfung ein Mehr faches des induktiven Widerstandes der Wicklung beträgt. Der Widerstand kann nach Patent 122156 auch durch eine mit sehr starker Ankerrückwirkung ausgeführte Erregermaschine ersetzt werden, die ihrerseits über einen Widerstand von der Schleifring spannung aus erregt wird.
An Stelle der Schleifringspannung der Asynchronmaschine kann auch die Kommu- tatorspannung des Frequenzumformers treten, dessen Schleifringen dabei eine Spannung proportional<I>B</I> # <I>f.</I> zugeführt werden muss. Diese Spannung kann durch Speisung mit einer Synchronmaschine gewonnen werden, deren Erregerstrom dem Betrag<I>B</I> # <I>f.</I> pro portional ist.
Dieser Erregerstrom kann zum Beispiel in einer konstant erregten Gleich strommaschine erregt werden, deren Drehzahl f' & proportional ist und die über einen kon stanten Widerstand die Erregerwicklung der Synchronmaschine speist. Besitzt der Fre- quenzumformer keine Kompensationswicklung, so ist seine Kommutatorspannung der Schleif ringspannung proportional.
Ist er mit Ständer kompensationswicklung ausgestattet, deren Durchflutung das m fache der Durchflutung der Ankerwicklung beträgt, so ist seine Kommutatorspannung proportional der Schleif ringspannung, multipliziert mit<I>l - in - s,</I> wobei s die Sehlüpfung des Frequenzumfor- mers ist.
Da bei Umformern zur Netzkupp lung auch die grösste auftretende Schlüpfung der Asynchronmaschine meist sehr klein ist, ist es, solange na nicht wesentlich grösser als 1 ist, nur von geringem Einfluss auf den Zusammenhang zwischen Schleifringspannung und Kommutatorspannung des Frequenzum- formers, ob dieser mit oder ohne Kompensa tionswicklung ausgeführt wird.
Tritt an Stelle des Frequenzumformers eine Gleichstromma schine mit rotierenden Bürsten, so muss sie bei konstanter Drehzahl ebenfalls reit einem der Frequenz f. proportionalen Gleichstrom erregt werden oder es muss bei konstantem Erregerstrom ihre Drehzahl dem Wert fe proportional sein. Im letzten Fall ist ihre Wirkungsweise identisch mit der einer kon stant erregten Synchronmaschine, die mit der Rotationsfrequenz f8 angetrieben wird.
Die Sekundärspannung des zur Erregung der Kommutatorhintermaschine ebenfalls verwend baren asynchronen Hilfsmotors ist der Schleif ringspannung des asynchronen Hauptmotors proportional, kann also an deren Stelle treten.
Aus Gleichung 2 folgt nun die weitere Aufgabe; die in der Kommutatormaschine erregte Spannung -B # f9 um den Ausdruck 9. # C # (Fm - f) zu vergrösseren. Auch dies kann auf mehreren Wegen erreicht werden.
Entweder wird in Reihe zu der Erregerspan nung Eni, welche die Ankerspariirun'g -13 # <I>f</I> e induziert, eine weitere Spannung Eng ge schaltet, wobei
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ist, oder es wird einer zweiten Erregerwick lung der Kommutatorniaschine ein Erreger strom zugeführt,
dessen Durchflutung A W2 sich zu der die Spannung - B # fe erregenden Durchflutung 9.M verhält wie
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Nötigenfalls müssen die beiden Erregerwick lungen voneinander magnetisch unabhängig sein, das heisst der Strom der einen Wick lung darf durch die Vorgänge im Stromkreis der andern Wicklung nicht beeinflusst wer den, und umgekehrt.
Statt die beiden. erre- genden Durchflutungeu in der Kommutator- hintermaschine zu überlagern, kann die Über- lagerung auch in einer, die Erregung der Kommutatorhintermaschine speisenden Er regermaschine nach Patent 122156 erfolgen.
Wird auch der konstante Widerstand dieses zweiten Erregerkreises gross gegenüber dem induktiven Widerstand gewählt, so muss zur Erziehlung einer Ankerspannung gleich A. # <I>C</I> # (f." <I>- f)</I> diesem Erregerkreis eine dem Ausdruck f. - f proportionale Span nung zugeführt werden, welche mit der Schlupffrequenz f, pulsiert. Auch die dem Ausdruck f. - f proportionale Spannung kann auf verschiedene Weise in den Erreger kreis eingeführt werden.
Eine Gleichspannung, die diesem Ausdruck proportional ist, erhält man durch Gegenschaltung eines mit kon stanter Drehzahl angetriebenen und konstant erregten Gleichstromgenerators (Spannung = D # fm) zu' einem zweiten ebenfalls konstant erregten Gleichstromgenerator, dessen Drehzahl durch Kupplung finit einer Synchronmaschine pro portional der Frequenz f gehalten wird (Spannung -<I>D</I> # f').
Da im allgemeinen aber die Abweichung zwischen f und f. nur wenige Prozent be trägt, muss die Ankerspannung des erstge nannten Generators streng konstant gehalten werden, was im allgemeinen nur unter Ver- wendurig von Schnellreglern möglich sein wird. Wenn die Drehzahl des erstgenannten Generators streng konstant gehalten werden kann, kann der Einfluss von Schwankungen der Erregung dadurch auf ein zulässiges Mass verkleinert werden, dass beide gegengeschal tete Maschinen vom gleichen Strom erregt werden.
Speist nun eine dem Ausdruck f.- <I>f</I> proportionale Gleichspannung über einen konstanten Widerstand die Erregung der den Frequenzumformer speisenden Syn chronmaschine oder die Erregung der Gleich- stromerregerrrJ.aschine konstanter Drehzahl mit rotierenden Bürsten, so kann dadurch im Ankerkreis der Kommutatorhintermaschine eine zusätzliche Spannung A. # <I>C</I> # (f. <I>- f)</I> erzwungen werden.
Eine dem Ausdruck f m - f proportionale Spannung der Fre quenz f. kann auch in einer konstant erreg ten Gleichstrommaschine mit rotierenden Bürsten induziert werden, die über ein Dif ferentialgetriebe mit der Drehzahl f. - f angetrieben wird. Eine dem Ausdruck<B>f.2 -f2</B> proportionale Spannung kann aber auch durch Gegenschaltung von zwei mit der Rotations frequenz
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angetriebenen Synchronma schinen erreicht werden, deren eine durch Schnellregler auf konstante Spannung gere gelt, deren andere mit konstantem Strom erregt wird. Die resultierende Spannung hat die Frequenz
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Sie kann also zur Er regung eines mit der Rotationsfrequenz fi angetriebenen Frequenzumformers dienen.
Eine dem Ausdruck f", <I>-f</I> proportionale Spannung, die zur Speisung des Frequenz- umfortners oder zur Erregung der fDArleich- strommaschine mit rotierenden Bürsten Ver wendung finden kann, kann schliesslich auch unter Vermittlung eines mechanischen Dreh zahlreglers gewonnen werden. Wird dieser mit einer Drehzahl proportional f angetrieben, so ist die Stellung dieses Regelorganes eine eindeutige Funktion des Ausdruckes f.- f, sie kann also zur Einstellung einer denn Aus druck f. - f proportionalen Spannung ver wendet werden.
Beispielsweise kann mittelst mechanischer Übertragung durch den Regler die Stellung eines den Frequenzumformers speisenden Doppelinduktionsreglers so ver stellt werden, dass eine Sekundärspannung proportional dem Ausdruck fm - f ist. Der mechanische Regler kann auch ersetzt wer den durch eine Tachometerdynamo, deren Drehzahl proportional der Frequenz f ist. Speist diese Tachometerdynamo einen statisch eingestellten Schnellregler, so entspricht je dem Wert der Frequenz f eine andere Stel lung des Schnellreglers, die ihrerseits zur Einstellung der verlangten Spannung dienen kann.
Beispielsweise kann dies dadurch ge schehen, dass der Schnellregler den Erreger widerstand einer den Frequenzumformer spei senden Synchronmaschine beeinflusst. <I>B.</I> Laitfergespeiste KomrnutatorhinIer- maschine.
Hat die läufergespeiste Kommutatorma- schine gleiche Polzahl wie der Asynchron motor und wird sie mit der Rotationsfre quenz
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angetrieben, so muss ihren Schleifringen eine Spannung der Frequenz f,. zugeführt werden; hat sie die Rotations frequenz fi, so muss ihren Schleifringen die Frequenz
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zugeführt werden; es gilt also in bezug auf die Frequenz das gleiche wie beim Frequenzumformer, der die Er regerwicklung der ständergespeisten Kommu- tatorhintermaschine speist.
Da ferner die durch die Kommutatorhintermaschine in den Läuferkreis der Asynchronmaschine einge führte Spannung streng oder angenähert proportional der den Schleifringen der Hintermaschine zugeführten Spannung ist, muss also den Schleifringen der Kommutator- hintermaschine eine Spannung zugeführt wer den, die dem durch Gleichung 2 festgesetzten Gesetz folgt. Die bei der ständergespeisten Hintermaschine zur Erregung über einen Frequenzumformer abgeleiteten Schaltungen können also auch hier Verwendung finden.
Da bei der läufergespeisten Hintermaschine die Abhängigkeit der gommutatorspannung von der Schleifringspannung praktisch unab hängig von der Sättigung ist, darf die läufer gespeiste Kommutatorhintermaschine, wenn sie nach dem durch Gleichung 2 festgelegten Gesetz erregt wird, auch im Sättigungsgebiet arbeiten.
Bei allen erwähnten Schaltungen kann natürlich durch Änderung der zunächst kon stanten Grössen (Drehzahl, Erregerstrom usw.) sowohl die konstante Bezugsfrequenz f., als auch der verlangte Proportionalitätsfaktor zwischen Leistung des Umformers und Ab weichung der Frequenz von der Bezugsfre quenz beliebig eingestellt werden.