Verfahren zum Betrieb eines Asynehrongenerators mit Kommutator -Hintermaschine, deren Erregerenergie mindestens teilweise über einen Frequenzumformer zugeführt wird. Jede an ein Netz gegebener Frequenz an geschlossene, durch eine Kommutator-Hinter- maschine erregte (bezw. geregelte) Asynchron maschine arbeitet bekanntlich als Generator, wenn ihre Drehzahl durch äussern Antrieb über den Leerlauf erhöht wird.
Wird ein solcher Asynchrongenerator so stark erregt, dass er seinen eigenen Blindleistungsbedarf und den seines Netzes deckt, so kann er auch nach Abschalten der vorher parallel arbeitenden synchronen Taktgeber, also unter Selbsterregung, weiter arbeiten. Wenn aber das selbsterregte Feld der Maschine infolge Unterbrechung des Erregerkreises oder auch infolge Kurzschlusses im Netz abgeklungen ist, ist es unsicher, ob die Selbsterregung nach Wiederherstellung der ursprünglichen Schaltung ohne parallelarbeitende synchrone Taktgeber erneut einsetzen wird.
Diese Unsicherheit kann nun aber erfin dungsgemäss durch ein Verfahren beseitigt werden, nach welchem der Kommutatorma- schine die Erregerenergie mindestens teilweise über einen Frequenzumformer zugeführt wird, welcher von einem Hilfssynchron-Generator gespeist wird, der mit einem an die primären Klemmendes Asynchrongenerators angeschlos senen Synchronmotor und mit einer unab hängig regelbaren Antriebsmaschine gekuppelt ist.
Dieses Verfahren sei anhand des Aus führungsbeispieles der Fig. 1 näher erläutert. An die Sammelschienen 1. sind der Asyn- chrongenerator 2 und der Synchronmotor 3 angeschlossen. Die Schleifringe der Asyn- chronmaschine 2 sind mit dem Läuferkreis der gommutatormaschine 4 verbunden, deren Erregerkreis 5 beispielsweise über einen Widerstand 6 von der gommutatorspannung des mit dem Generator gekuppelten Frequenz umformers 7 gespeist wird.
(Die Speisung der Erregerwicklung könnte auch durch ir gendeine Kombination der Schleifringspan- nung des Asynchrongenerators und der Kom- mutatorspannung des Frequenzumformers mit oder ohne Zwischenschaltung von ohmschen oder induktiven Widerständen oder auch unter Zwischenschaltung einer Erregermaschine er folgen.) An die Schleifringe des Frequenz umformers ist der Synchrongenerator 8 an geschlossen, der sowohl mit dem Synchron motor 3 gleicher Polzahl und mit einer un abhängig regelbaren Antriebsmaschine 9 ge kuppelt ist, die beispielsweise als Gleich strommaschine gezeichnet ist und aus dem Netz 10 gespeist wird.
11 ist die Antriebs maschine des Grenerators 2.
In der gezeichneten Schaltung ist be kanntlich die Primärfrequenz, das heisst die Ständerfrequenz des Asynchrongenerators, unabhängig von seiner Drehzahl, stets gleich der Frequenz des Generators 8, also gleich der Rotationsfrequenz der Synchronmaschinen 3 und B. Mit Rücksicht auf die Frequenz darf also der Synchronmotor 3 durch Schlie ssen des Schalters 12 dauernd auf das Netz 1 geschaltet sein.
Wenn im Netz keine weiteren, selbständig die Frequenz bestimmenden Gene ratoren vorhanden sind, kann die Primär frequenz des Asynchrongenerators dadurch auf jeden beliebigen Wert geregelt werden, dass der Umformergruppe 3-8 die ent sprechende Rotationsfrequenz aufgedrückt wird, und dies kann durch den unabhängig regelbaren Antriebsmotor 9 erreicht werden. Die Grösse der Spannung des Asynchron- generators bei bestimmter Schlüpfung und Belastung hängt von der Erregung des Syn- chrongenerators 8 ab.
Um die Phasenlage der Spannung des Generators 8 beliebig ein stellen zu können, kann es zweckmässig sein, den Generator mit zwei räumlich um 90 gegeneinander verschobenen Erregerwicklun gen auszustatten. Eine Phasenverschiebung der Spannung kann aber auch durch Zu schaltung von regelbaren Transformatoren, zum Beispiel Drehtransformatoren, oder der gleichen erreicht werden.
Die zur Selbsterregung der in der Fig. 1 dargestellten ,Maschinengruppe notwendige Magnetisierungsenergie wird von der von aussen angetriebenen Synchronmaschine 8 geliefert; jede Unsicherheit im Auftreten der Selbsterregung fällt weg. Da die beiden Synchronmaschinen 3 und 8 starr mitein ander gekuppelt sind, sind ihre Spannungs vektoren um einen konstanten Winkel gegen einander verschoben.
Der Winkel zwischen dem primären Spannungsvektor des Asyn- chrongenerators 2 und dem Spannungsvektor der Synchronmaschine 8 wechselt im allge meinen, wie noch näher begründet werden soll, mit der Sohlüpfung und der Belastung des Asynchrongenerators; es wechselt also auch der Winkel zwischen dem Spannungs vektor des Asynchrongenerators 2 und dem des Synchronmotors B. Wenn also die Syn chronmaschine 3 dauernd an die Sammel schienen 1 angeschlossen ist, wird auf sie ein mit der Sohlüpfung und Belastung des Asynchrongenerators wechselndes Drehmo ment ausgeübt.
Ist der Motor 9 stark genug, so wird er die Drehzahl der Umformergruppe selbständig festlegen, unabhängig vom Dreh moment des Motors 3. Aussertrittfallen kann dieser Motor nicht, da seine Rotationsfrequenz identisch gleich mit der Primärfrequenz des Asynchrongenerators ist, von der er gespeist wird. Er kann aber, wenn das Drehmoment zu gross wird, unzulässig warm werden.
Diese Gefahr kann durch Vergrösserung des Wider standes der Zuleitung zum Motor 3 ver kleinert werden, sie kann aber auch dadurch beseitigt werden, dass der Motor 3 durch Offnung des Schalters 12 von den Sammel schienen abgetrennt wird, wenn die Drehzahl der Umformergruppe und damit die Netz frequenz durch die Antriebsmaschine 9 fest gelegt werden soll. Doch kann auch in diesem Falle der Motor 3 ohne Gefahr der Über lastung dauernd auf die Sammelschienen geschaltet werden, wenn die Schlüpfungs- änderung des Asynchrongenerators 2 zwischen Leerlauf und Vollast richtig bemessen wird.
Zur Erklärung der Wirkungsweise des Aggregates dienen die Diagramme Fig. 2-4- Vernachlässigt sei dabei die Stator- und die Rotorstreureaktanz des Asynohrongenerators. Sie gelten für übersynchronen generatorischen Betrieb. Der Drehsinn der Zeitlinie ist für das Statordiagramm des Asynchrongenerators und das Statordiagramm der Maschine 3 gegen den Uhrzeigersinn, und für das Rotordiagramm des Asynchrongenerators im Uhrzeigersinn angenommen.
Die Pfeile geben den Voreilsinn der Vektoren an. Fig. 2 bezieht sich auf den Leerlaufzustand (Netz 1 unbelastet); Fig. 3 auf einen Belastungszustand, ohne besonders günstige Regelung der Schlupfspannung; Fig. 4 auf denselben Belastungszustand, je doch mit günstiger Regelung der Schlupf spannung.
.F sei die primäre (Netz-), und E2 die sekundäre Spannung (Schlupfspannung) des Asynchronmotors 2. Fh sei die in der Kollektor hintermaschine 4 induzierte Spannung, die man als proportional und phasengleich mit der Spannung Es des Synchrongenerators 8 annehmen kann. Es ist die im Synchron motor 3 induzierte Spannung, die mit Es, also auch mit Eh, die konstante Phasenver schiebung r aufweist. Eh wird durch die Maschine 8 bestimmt und ist von der Schlüpfung unabhängig.
Der Phasenwinkel a zwischen Ei und Eh wird im allgemeinen mit der Schlüpfung variieren. Nehmen wir willkürlich die Richtung von Ei fest, zum Beispiel vertikal, an, so kann der Endpunkt von Eh auf einem Kreis mit 0 als Zentrum wandern.
Bei Leerlauf, das heisst wenn primär kein Strom fliesst (Fig. 2), fliesst sekundär nur der Magnetisierungsstrom Jf", der das Feld erzeugt. Dieses induziert die Spannungen Ei und E2 (normal zu 0). Die Spannung Eh muss sowohl der Spannung<I>A =</I> E" # <I>s</I> (wo Eo die Spannung bei s - 1 ist) das Gleich gewicht halten, als auch dem ohmschen Spannungsabfall<I>-</I> J,ss # r2, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist.
Wird jetzt das Netz belastet, so dass primär der Strom Ji fliesst, dann fliesst sekundär ausser dem Magnetisie- rungsstrom J14 der Wirkstrom J2. (Fig. 3).
Ist jetzt die Schlüpfung s', so muss jetzt Eh mit den Spannungen<B>E2=</B> E'ae, <I>-</I> J',ss # r2 und<I>-</I> J2,a # r.- im Gleichgewicht stehen, wie in Fig. 3 dargestellt. Aus der Konstruk tion der Figur ist ersichtlich, dass mit Aus- nahme von Eh, Es und r, sich die übrigen Vektoren uad Winkel gegenüber Fig. 2 ändern und in die gestrichenen Werte übergehen.
Der Strom Js des Motors 3, der der Span nungsdifferenz Ei-Es proportional ist, nimmt einen bedeutend grösseren Wert J's an als in Fig. 2, was starke Erwärmung des Motors 3 bedingt.
Die Verhältnisse werden viel günstiger, wenn die Schlüpfung so reguliert wird, dass die Zunahme der Schlüpfungsspannung den ohmschen Spannungsabfall des sekundären Wirkstromes kompensiert; wie dies in Fig. 4 angenommen ist. In diesem Falle bleibt der Winkel a derselbe wie bei Leerlauf, und auch der Magnetisierungsstrom, sowie die übrigen Vektoren behalten ihre Werte, die sie bei Leerlauf des Aggregates hatten, bei. Damit ist erreicht, dass die Netzspannung Ei mög lichst konstant bleibt, und dass der Motor 3 sich nicht unzulässig erwärmen wird.
Die Synchronmaschine 3 kann also, wenn ihr Kupplungswinkel mit dem Generator 8 ein mal richtig eingestellt wurde, ohne Gefahr der Überlastung dauernd auf die Sammel schienen geschaltet sein. Es ergibt sich dabei, wie wir gesehen haben, der weitere Vorteil, dass die Änderung der Blindleistung bezie hungsweise der Spannung des Asynchron- generators zwischen Leerlauf und Vollast bei konstanter Erregung des Generators 8 kleiner ist, als wenn die Schlüpfungsänderung. von dem oben verlangten Wert stark abweicht.
Die Änderung der Schlüpfspannung des Asyn- chrongenerators hat die verlangte Grösse, wenn seine Schlüpfungsänderung zwischen Leerlauf und Vollast gleich der Schlüpfungsänderung ist, welche die als Motor arbeitende Asyn- chronrnaschine 2 zwischen Leerlauf und Voll- last hat, wenn sie in gleicher Schaltung wie in Fig. 1, aber bei abgeschalteter Maschine 9, mit Netzspannung und Netzfrequenz gespeist wird.
Denn in diesem Falle ist 0 und damit J,z durch die gegebene Netzspannung vorge schrieben. Ist letztere konstant, so ist auch JA konstant und daher auch J,u # r2. Wie in Fig. 4, ist dann auch Winkel a konstant und die Schlupfspannung durch die vertikale Komponente von .Eh bestimmt. Wir haben also ganz analoge Verhältnisse, wie die in Fig. 4 für generatorischen Betrieb veran schaulichten.
Während aber bei steigender motorischer Belastung die übersynchrone Schlüpfung sinkt, und die untersynchrone Schlüpfung steigt, muss bei steigender gene- ratorischer Belastung, damit die Änderungen der Schlupfspannung des Asynchrongenerators nicht nur die verlangte Grösse, sondern auch die verlangte Richtung haben, die untersyn chrone Schlüpfung abnehmen und die über synchrone Schlüpfung ansteigen.
Ist diese Bedingung erfüllt, so bleibt, wie aus obigem folgt, der Phasenwinkel zwischen der Primär spannung und der Spannung der Maschine 8 unabhängig von der Belastung annähernd konstant.
Wenn die Frequenz des Asynchrongene- rators 2 durch die Drehzahl des Antriebs motors 9 bestimmt wird, ist aber ohne be sondere Massregeln ein störungsfreier Betrieb nur möglich, wenn an die Sammelschienen 1. nicht weitere selbständige, die Frequenz bestimmende Synchrongeneratoren angeschlos sen sind. Da die Netzfrequenz nämlich in eindeutigem Zusammenhang mit- der Dreh zahl der Antriebsmaschine 9 steht, ist sie zunächst von der Drehzahlcharakteristik der Antriebsmaschine des Asynchrongenerators und von dessen Belastung unabhängig. Wer den weitere Synchrongeneratoren an das Netz angeschlossen, so wird ihre Drehzahl eben falls ausschliesslich durch die Drehzahl der Maschine 9 diktiert.
So lange diese Drehzahl also von den Belastungsverhältnissen des Netzes unabhängig und beispielsweise kon stant ist, ist auch die Leistung der Synchron generatoren konstant und jede Belastungs schwankung im Netz muss durch den Asyn- chrongenerator aufgenommen werden, was im allgemeinen nicht zulässig ist. Eine Last verteilung auf sämtliche Generatoren ist aber möglich, wenn die Drehzahl der Antriebs maschine 9 in Abhängigkeit "von der Belastung des Asynchrongenerators 2 gebracht wird, so dass sie und damit auch die Netzfrequenz mit wachsender Belastung, wenn auch gering- fügig, sinkt.
Damit ändert sich mit wechseln der Belastung auch die Drehzahl der Syn chrongeneratoren und deren Leistung in Ab hängigkeit von ihren Antriebsreglern.
Eine einwandfreie Lastverteilung ist aber auch dadurch möglich, dass die unabhängige regelbare Antriebsmaschine 9 abgeschaltet wird, sowie an das Netz weitere Synchron generatoren angeschlossen werden, wobei aber der Synchronmotor 3 an das Netz ange schlossen sein muss. In diesem Falle wird die Frequenz des Asynchrongenerators 2 und die Rotationsfrequenz der Umformergruppe 3-8 durch die Frequenz der parallelarbeiten den Synchronmaschinen bestimmt, die sich mit der Belastung ändert, wodurch sich wieder richtige Lastverteilung ergibt.
Ein stossfreies Zuschalten der Synchron maschine 3 auf die Sammelschiene 1 ist aber nur möglich, wenn der Spannungsvektor der Maschine vor dem Zuschalten ungefähr in Phase mit dem Netzvektor ist. Es soll des halb ferner vor dem Zuschalten der Synchron maschine 3 entweder Schlüpfung und Be lastung des Asyncbrongenerators 2 so ge regelt werden, dass Netzvektor und Span nungsvektor der Synchronmaschine 3 an nähernd in Phase sind, oder es soll das gleiche Ergebnis ohne sonstige Regelung durch Verdrehen des Stators des Synchron motors 3 oder durch Verdrehen der Gleich stromerregung gegenüber dem Polrad oder durch entsprechende Regelung am Synchron generator 8 erreicht werden.
Unterbleibt diese Regelung, so wird, wenn die Antriebs maschine 9 stark genug ist, zwar durch das Zuschalten der Synchronmaschine 3 die Arbeitsbedingung des Asynchrongenerators nicht geändert. Wird aber jetzt die Maschine 9 abgeschaltet, so stellt sich der Spannungs vektor der Synchronmaschine 3 in diejenige Stellung gegenüber dem Netzvektor ein, die der Arbeitsleistung des Umformers 3-8 ent spricht; es ändert sich also die Lage des Spannungsvektors der Synchronmaschine 8 gegenüber dem Netzvektor und damit die Ar beitsweise des Asynchrongenerators wesentlich.
Wenn aber vordem Zuschalten der Synchron- maschine 3 ihr Spannungsvektor auf die angegebene Weise in die der Antriebsleistung des Umformers entsprechende Phasenlage gegenüber dem 1%Tetzvektor gebracht wurde, kann bei unverändertem Belastungs- und Spannungsverhältnis die Abschaltung der unabhängig regelbaren Antriebsmaschine 9 überhaupt keine Änderung bedingen.
In vereinzelten Fällen kann es erwünscht sein, dem Asynchrongenerator 2 synchronen Charakter zu geben. Dies kann dadurch ge schehen, dass sein Läufer oder auch die Er regerwicklung der an ihn angeschlossenen Kommutatormaschine mit Gleichstrom gespeist wird. Der synchrone Charakter kann aber auch dadurch erzwungen werden; dass die Umformergruppe 3-8 mit dem Läufer des Generators 2 gekuppelt wird.
Wird zum Beispiel die Asynchronmaschine mit der Er regergruppe durch eine Zahnradübersetzung, deren Zahnzahl im Verhältnis der Polzahlen der beiden Gruppen steht, gekuppelt, so wird dadurch zwangsläufig die Rotationsfrequenz der Maschine 2 (Fig. 1) gleich der Stator- frequenz der Maschine 8 gemacht. Nun ist aber die kommutatorseitige Frequenz des Frequenzumformers 7, dessen Schleifringe von der Maschine 8 gespeist werden, gleich der Differenz aus der schleifringseitigen und der Rotationsfrequenz.
Ist die Differenz gleich Null, so wird Maschine 2 mit Gleichstrom erregt, läuft also wie eine Synchronmaschine. Für den synchronen Charakter der Maschine 2 ist aber nicht unbedingt erforderlich, dass sie mit (Teichstrom erregt wird. Es kann auch genügen, wenn ihre Rotations- und Stator- frequenz in einem konstanten oder wenigstens annähernd konstanten Verhältnis stehen. In diesem Falle können Haupt- und Erreger gruppe auch in einem Verhältnis gekuppelt werden, das nicht genau proportional den Polzahlen der beiden Maschinengruppen ist.
Statt einer starren Kupplung zwischen den beiden Gruppen kann als Verbindungsglied unter Umständen auch ein Riemen gewählt werden, sofern seine Schlüpfung einen gewissen Wert nicht überschreitet. Auf elektrischem Wege kann die Kupplung zum Beispiel da- durch .erreicht werden, dass auf jede Welle der beiden Gruppen eine Synchronmaschine entsprechender Polzahl montiert wird, wobei die Statoren beider Maschinen miteinander verbunden werden. Es wird hierdurch wie bei der mechanischen Kupplung Gleichlauf der beiden Maschinengruppen erzwungen.