Anordnung um in einem Stromkreis veränderlicher Frequenz eine Zusatzspannung zu erzeugen. Schaltet man in einen Gleichstromkreis einen mit konstanter Geschwindigkeit um laufenden Reihenschlussmotor ein, so wirkt letzterer, wie bekannt, in derselben Weise wie ein ohmscher Widerstand, das heisst er verursacht einen dem Strom proportionalen Spannungsabfall. Ein in derselben Weise ein geschalteter Reihenschlussgenerator wirkt wie ein negativer ohmscher Widerstand. Dasselbe gilt auch bei einem Wechselstromkreis, falls die eingeschaltete Maschine in bezug auf den induktiven Spannungsabfall kompensiert ist, beispielsweise eine sogenannte Scherbiusma- schine mit Kompensationswicklung.
Bei Wechselstrom kann die Sache auch so ausgedrückt werden, dass die eingeschal tete Maschine einen Spannungsvektor liefert, welcher 180 dein Stromvektor vor- oder nacheilt und ihm proportional ist. Aus dieser Betrachtungsweise geht hervor, dass, falls man die Reihenschlussmaschine derart modifiziert, dass ihr Kraftfluss in bezug auf den Strom nach- eilt, die Maschinenspannung eine Komponente erhält, welche dem Strom 90 voreilt, so dass die Maschine als Phasenkompensator wirkt, dessen kompensierende Spannungskomponente, wie später nachgewiesen wird, ausserdem dem Produkt der Stromstärke und der Frequenz, d. h. dem induktiven Spannungsabfall eines gewissen Stromkreises, proportional wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Ein schaltung einer so ausgebildeten Maschine in einen Stromkreis mit veränderlicher Frequenz, zum Zwecke der Kompensierung des induk tiven Spannungsabfalles.
Mehrere Ausführungsformen der Erfindung sind in der beiliegenden Zeichnung in Fig. 1-8 schaubildlich dargestellt.
In Fig. 1 ist die Erfindung allgemein auf einen mehrphasigen Stromkreis angewandt dargestellt, von welchem nur eine Phase ein gezeichnet ist, und dessen Nullpunkt im Läufer der Maschine 1 gedacht wird. Die Maschine hat im Ständer eine Kompensationswicklung 5 und eine Reihenschluss-Erregerwicklung 3. Parallel zu letzterer liegt ein regelbarer, ohmscher Widerstand 4. Bezeichnet man den ohmschen Widerstand und die Reaktanz der Wicklung 3 mit r3 bezw. x3 und den Wert des Widerstandes 4 mit r4, die Ströme in 3 und 4 mit I3 bezw.
I4 und deren Summe mit I1, so erhält man die Gleichungen: I3 + I4 = I1 I3 (r3 - j x3) = I4 r4 Hieraus erhält man
EMI0002.0000
Falls I3 in eine mit I1 gleichphasige und eine dazu senkrechte Komponente aufgeteilt wird, erhält man
EMI0002.0001
Die in der Maschine 1 erzeugte Umlaufspannung sei als proportional zu I3 angenommen (unge sättigter Magnetkreis) und kann = - d ³ I3 gesetzt werden, wobei das Minuszeichen be- deutet, dass die Maschine eine Spannungs komponente in Phase mit dem Strom auf nimmt, das heisst als Motor läuft. Sie wird also
EMI0002.0002
Das erste Glied der rechten Seite bedeutet hier einen Spannungsabfall in Phase mit dem Strom und das andere Glied eine Spannung, die dem Strom 90 voreilt, also eine Kom pensationsspannung. Das letzte Glied enthält x3 im Zähler und
EMI0002.0003
im Nenner.
Macht man die Summe rs + r4 gross im Ver hältnis zu x3, so wird das zweite Glied des Nenners unbedeutend im Vergleich mit 1, d. h. der Nenner wird praktisch unabhängig von x3, und somit von der Frequenz. Die Kom pensationsspannung, welche x3 im Zähler enthält, wird in diesem Fall direkt propor tional der Frequenz, weshalb sie durch ent sprechende Bemessung der Maschine 1 einen im Stromkreis vorhandenen, dieser Frequenz proportionalen, induktiven Spannungsabfall ganz kompensieren kann.
Falls der Koeffizient für j I1 in der letz ten Gleichung
EMI0002.0004
gesetzt wird, wo
EMI0002.0005
eine Kon stante ist, und die Maschine so bemessen wird, dass a x3 bei niedrigen Werten der Frequenz, wenn der Nenner gegen 1 konver giert, gleich der Reaktanz des Stromkreises wird, so wird bei höherer Frequenz der un- kompensierte Rest des induktiven Spannungs abfalles
EMI0002.0008
welches, da rs <I>1- r4</I> immer als gross im Ver gleich mit xa vorausgesetzt wird,
EMI0002.0011
gesetzt werden kann.
Da der gesamte ohm sche Widerstand infolge des vorhergesagten mindestens
EMI0003.0000
sein muss, wird der höchste Phasenfehler also
EMI0003.0001
Falls x3 einen Drittel von rs + r4 beträgt, was etwa ein normaler Wert ist, wird der Phasenfehler also höchstens
EMI0003.0002
wogegen er ohne die Ma schine 1 etwa
EMI0003.0003
sein würde.
Anstatt direkt kann man den Widerstand 4 auch transformatorisch parallel zur Wick lung 3 schalten, beispielsweise durch eine Wicklung 5 auf denselben Kern wie die Wick lung 3, wie Fig. 2 zeigt.
Fig. 3 zeigt eine Anwendung der Maschine nach Fig. 1 als Phasenkompensator eines ge wöhnlichen Asynchronmotors 6. Der Kompen sator 1, welcher mit der in Fig. 1 gezeigten Maschine identisch ist und dieselben Bezeich nungen für die Einzelheiten hat, ist an den Schleifringen der Hauptmaschine angeschlos sen und mit einer besondern Maschine 7 ge kuppelt, welche gewöhnlich als Generator läuft, da die Maschine 1 als Motor arbeitet.
In Fig. 4 dient die Maschine 1 als Pha senkompensator im Erregerkreis einer grösse ren Kollektormaschine mit Ständererregung (Scherbiustyp). Letztere Maschine ist mit 8 und ihre Erregerwicklung mit 9 bezeichnet. Die letztere soll im übrigen einer Stromquelle angeschlossen sein, deren Spannung konstant oder beliebig veränderlich sein kann. Die Maschine 1 hat hei entsprechender Bemessung die Wirkung, dass der Strom im Erregerkreis unabhängig von der Frequenz der genannten Spannung in Phase und Grösse genau folgt.
Man kann auch, wie Fig. 5 zeigt, die Ma-, schine 1 derart abändern, dass sie nebst ihrer ursprünglichen Wirkung selbst als Erreger- inaschine für eine Scherbiusmaschine 8 dient. Zu diesem Zweck wird sie mit einer beson deren Erregerwicklung 10 versehen, welche in derselben Achse wie die Wicklung 3 wirkt. Falls diese beiden Wicklungen auf denselben Polkernen liegen, was vom Gesichtspunkt des Maschinenbaues am bequemsten ist, muss eine Massnahme getroffen werden, um dem induk tiven Einfluss des Stromkreises mit der Wick lung 10 auf den Nebenschlusskreis mit der Wicklung 3 entgegen zu wirken. Zu diesem Zweck können diese Stromkreise ausserhalb der Maschine durch einen Transformator 11 verkettet werden, der der ebengenannten in duktiven Verkettung entgegenwirkt.
Falls die Wicklungen beispielsweise auf magnetisch parallelen Teilen eines Spaltpolkernes gewik- kelt sind, kann ein derartiger Entkopplungs- transformator entbehrt werden.
Es kann auch genügen, in den Neben schlusskreis mit der Wicklung 3 eine ent sprechend bemessene Reaktanz einzuschalten, d. h. man kann die in Reihe mit der Wick lung 10 geschaltete Wicklung des Transfor mators 11 auslassen. In gewissen Fällen kann es sogar zweckmässig sein, dass letztere Wick lung derart gewickelt wird, dass sie die Wir kung der induktiven Kopplung durch die Er regerwicklungen in der Maschine verstärkt. Sie muss dann jedoch eine wesentlich kleinere Anzahl Amperewindungen als die andere Wicklung des Transformators enthalten, so dass die Induktanz der letzteren Wicklung noch immer entscheidend für die Stromver hältnisse in deren Stromkreis ist. Der Vorteil einer Schaltung letztgenannter Art ist der, dass sie, im Vergleich zu der ursprünglich be schriebenen, die Gesamtinduktanz des die Wicklung 10 umfassenden Stromkreises her absetzt.
In sämtlichen beschriebenen Fällen soll der Transformator 11 eine verhältnismässig grosse Reaktanz besitzen, beispielsweise mit Luftspalte im Eisenkern ausgeführt sein.
Falls eine nach Fig. 5 ausgeführte Ma schine 1 unmittelbar als Phasenkompensator einer Asynchronmaschine benutzt wird, kann die Schaltung nach Fig. 6 ausgeführt sein. Die Wicklung 10 wird hier von den Schleif ringen der Hauptmaschine 6 über eine Dros selspule 12 gespeist. Ihr Strom wird deshalb annähernd konstant, unabhängig von der Schlüpfung, da Spannung und Reaktanz sich in demselben Verhältnis ändern. Die Maschine 6 erhält deshalb eine Kompensationsspannung, die sich aus einer nahezu konstanten und einer dem Belastungsstrom proportionalen Komponente zusammensetzt, und gleichzeitig eine kompoundierende Gegenspannung.
Fig. 7 zeigt eine Schaltung, die sich für Tourenregelung bei Asynchronmotoren eignet. An den Schleifringen der Hauptasynchron maschine 6 ist eine Scherbiusmaschine 8 mit Erregerwicklung 9 angeschlossen, welch letz tere durch eine Maschine 1 derselben Aus führung wie in Fig. 5 gespeist wird. Die Er regerwicklung 10 der letzteren Maschine wird ihrerseits durch einen kleinen Generator 13 von Schragetyp mit in Reihe geschalteten Läufer- und Ständerwicklungen gespeist, des sen Schleifringe in bekannter Weise an das Netz über einen regelbaren Transformator 14 in Reihe mit einem die Maschine mit dem Hauptstromkreis verkoppelnden Stromwandler 15 angeschlossen sind.
Der Generator 13 liefert einen der aufgedrückten Spannung proportionalen Strom für die Wicklung 10, worauf die Maschine 1 in schon beschriebener Weise einen hierzu proportionalen Strom an die Wicklung 9 liefert.
Fig. 8 zeigt schliesslich eine Schaltung zur Belastung einer Asynchronmaschine 6 mit einer von der Schlüpfung unabhängigen oder wenigstens derselben nicht proportionalen Leistung. An die Schleifringe der Asynchron maschine ist eine Scherbiusmaschine 8 ange schlossen, welche von einer in Analogie mit den Fig. 5-7 ausgeführte Maschine 1 erregt wird. An die Erregerwicklung 10 letzterer Maschine sind zwei in Reihe geschaltete Spannungsquellen angeschlossen, nämlich ein Frequenzumformer 16, welcher eine von der Schlüpfung unabhängige Spannung liefert, und eine Asynchronmaschine 17, welche eine der Schlüpfung wesentlich proportionale Span nung liefert.
Zweckmässig ist die letztere an das Netz durch einen Reihentransformator 18 angeschlossen, dessen Primärwicklung in der Zuleitung der Hauptmaschine liegt, und wel cher so bemessen ist, dass die Maschine 17 auf der Sekundärseite eine Spannung liefert, die der Schlupfspannung der Hauptmaschine unter Berücksichtigung aller induktiven Span- rrungsabfälle proportional ist.
Falls die Kom pensationsmaschine 1 für die Kompensierung der induktiven Spannungsabfälle sowohl in der Wicklung 9, als in der Wicklung 10 be messen ist, so liefert die Maschine 8, einer seits unter dem Einfluss der Maschine 17, eine Spannungskomponente, die die Resultante aller der Schlüpfung proportionalen Span nungskomponenten der Hauptmaschine genau ausgleicht, anderseits, unter dem Einfluss der Maschine 16, eine Spannungskomponente, die den von der Schlüpfung unabhängigen ohm schen Spannungsabfall im Kreise deckt. Durch Regelung der letzterwähnten Komponente mittelst der Maschine 16 kann man daher den Sekundärstrom und dadurch die Belastung der Maschine 6 regeln.
Selbstverständlich kann man durch eine gleichzeitige Regelung der Primärspannungen der Maschine 16 und 17 jede erwünschte Zwischenform zwischen dieser Arbeitsweise und einer der Schlüpfung proportionalen Belastung erhalten.
Die in Fig. 6-8 dargestellten Schaltun gen können derart abgeändert werden, dass, anstatt einer mit unabhängiger Erregerwick lung versehenen Kompensationsmaschine nach Fig. 5 eine Maschine nach Fig. 4 in Reihe mit einer besonderen Erregermaschine ver wendet wird. Die gezeigte Ausführung ist je doch im allgemeinen infolge ihres niedrigeren Preises vorzuziehen.