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.
Arrangement to generate an additional voltage in a circuit of variable frequency. If you switch on a series-wound motor rotating at constant speed in a direct current circuit, the latter acts, as is known, in the same way as an ohmic resistance, i.e. it causes a voltage drop proportional to the current. A series generator connected in the same way acts like a negative ohmic resistance. The same also applies to an alternating current circuit if the switched-on machine is compensated for the inductive voltage drop, for example a so-called Scherbius machine with a compensation winding.
In the case of alternating current, the matter can also be expressed in such a way that the switched on machine supplies a voltage vector which leads or lags your current vector and is proportional to it. From this point of view it can be seen that if the series machine is modified in such a way that its power flow lags behind in relation to the current, the machine voltage receives a component which leads the current 90, so that the machine acts as a phase compensator, its compensating voltage component As will be shown later, also the product of the current strength and the frequency, i.e. H. the inductive voltage drop of a certain circuit, is proportional.
The present invention relates to the A circuit of a machine designed in this way in a circuit with a variable frequency, for the purpose of compensating for the inductive voltage drop.
Several embodiments of the invention are shown diagrammatically in the accompanying drawings in FIGS. 1-8.
In Fig. 1, the invention is shown generally applied to a multi-phase circuit, of which only one phase is drawn, and the zero point in the rotor of the machine 1 is thought. The machine has a compensation winding 5 and a series excitation winding 3 in the stator. In parallel with the latter there is a controllable, ohmic resistor 4. The ohmic resistance and the reactance of the winding 3 are denoted by r3 or. x3 and the value of the resistor 4 with r4, the currents in 3 and 4 with I3 respectively.
I4 and their sum with I1, one obtains the equations: I3 + I4 = I1 I3 (r3 - j x3) = I4 r4 From this one obtains
EMI0002.0000
If I3 is divided into a component in phase with I1 and a component perpendicular to it, one obtains
EMI0002.0001
The circulating voltage generated in machine 1 is assumed to be proportional to I3 (unsaturated magnetic circuit) and can be set = - d ³ I3, where the minus sign means that the machine consumes a voltage component in phase with the current that means running as the engine. So she will
EMI0002.0002
The first link on the right here means a voltage drop in phase with the current and the other link means a voltage that leads the current 90, ie a compensation voltage. The last term contains x3 in the numerator and
EMI0002.0003
in the denominator.
If the sum rs + r4 is made large in relation to x3, the second term of the denominator becomes insignificant in comparison with 1, i.e. H. the denominator is practically independent of x3, and thus of the frequency. The compensation voltage, which contains x3 in the counter, is in this case directly proportional to the frequency, which is why it can completely compensate for an inductive voltage drop that is present in the circuit and is proportional to this frequency by appropriately dimensioning the machine 1.
If the coefficient for j I1 in the last equation
EMI0002.0004
is set where
EMI0002.0005
is a constant, and the machine is dimensioned in such a way that a x3 at low values of the frequency, when the denominator converges to 1, equals the reactance of the circuit, at a higher frequency the uncompensated remainder of the inductive voltage drop becomes
EMI0002.0008
which, since rs <I> 1- r4 </I> is always assumed to be large in comparison with xa,
EMI0002.0011
can be set.
Since the total ohmic resistance as a result of the predicted at least
EMI0003.0000
must be, the highest phase error will be
EMI0003.0001
If x3 is a third of rs + r4, which is about a normal value, the phase error will be at most
EMI0003.0002
whereas without the machine 1, for example
EMI0003.0003
would be.
Instead of directly, the resistor 4 can also be switched in a transformer parallel to the winding 3, for example by a winding 5 on the same core as the winding 3, as shown in FIG.
Fig. 3 shows an application of the machine according to FIG. 1 as a phase compensator of an ordinary asynchronous motor 6. The compensator 1, which is identical to the machine shown in Fig. 1 and has the same designations for the details, is on the slip rings Main machine connected and coupled with a special machine 7, which usually runs as a generator, since the machine 1 works as a motor.
In Fig. 4, the machine 1 is used as a phase compensator in the excitation circuit of a larger collector machine with stator excitation (shear bus type). The latter machine is designated with 8 and its excitation winding with 9. The latter should also be connected to a current source, the voltage of which can be constant or freely variable. When dimensioned accordingly, the machine 1 has the effect that the current in the excitation circuit follows the specified voltage precisely in terms of phase and magnitude, regardless of the frequency.
One can also, as FIG. 5 shows, modify the machine 1 in such a way that, in addition to its original effect, it itself serves as an excitation machine for a Scherbius machine 8. For this purpose it is provided with a special excitation winding 10 which acts in the same axis as the winding 3. If these two windings are on the same pole cores, which is most convenient from the point of view of mechanical engineering, a measure must be taken to counteract the inductive influence of the circuit with winding 10 on the shunt circuit with winding 3. For this purpose, these circuits can be linked outside the machine by means of a transformer 11, which counteracts the above-mentioned ductile linkage.
If the windings are wound, for example, on magnetically parallel parts of a shaded pole core, such a decoupling transformer can be dispensed with.
It may also be sufficient to switch on an appropriately sized reactance in the secondary circuit with the winding 3, d. H. the winding of the transformer 11 connected in series with the winding 10 can be omitted. In certain cases it can even be useful for the latter winding to be wound in such a way that it reinforces the effect of the inductive coupling through the excitation windings in the machine. However, it must then contain a much smaller number of ampere-turns than the other winding of the transformer, so that the inductance of the latter winding is still decisive for the current ratios in its circuit. The advantage of a circuit of the last-mentioned type is that, compared to the one originally described, it reduces the total inductance of the circuit comprising the winding 10.
In all the cases described, the transformer 11 should have a relatively large reactance, for example it should be designed with an air gap in the iron core.
If a machine 1 executed according to FIG. 5 is used directly as a phase compensator of an asynchronous machine, the circuit according to FIG. 6 can be implemented. The winding 10 is fed here from the slip rings of the main machine 6 via a Dros selspule 12. Your current will therefore be almost constant, regardless of the slippage, since the voltage and reactance change in the same ratio. The machine 6 therefore receives a compensation voltage which is composed of an almost constant component and a component proportional to the load current, and at the same time a compounding counter-voltage.
Fig. 7 shows a circuit which is suitable for tour control in asynchronous motors. On the slip rings of the main asynchronous machine 6, a Scherbius machine 8 with excitation winding 9 is connected, which latter tere by a machine 1 of the same execution as in Fig. 5 is fed. The He excitation winding 10 of the latter machine is in turn fed by a small generator 13 of inclined type with series-connected rotor and stator windings, the sen slip rings in a known manner to the network via a controllable transformer 14 in series with a machine with the main circuit coupling Current transformers 15 are connected.
The generator 13 supplies a current for the winding 10 that is proportional to the applied voltage, whereupon the machine 1 supplies a current proportional thereto to the winding 9 in the manner already described.
Finally, FIG. 8 shows a circuit for loading an asynchronous machine 6 with a power that is independent of the slip or at least not proportional to the same. To the slip rings of the asynchronous machine, a Scherbius machine 8 is connected, which is excited by a machine 1 executed in analogy with FIGS. 5-7. Two voltage sources connected in series are connected to the field winding 10 of the latter machine, namely a frequency converter 16, which supplies a voltage independent of the slip, and an asynchronous machine 17, which supplies a voltage which is substantially proportional to the slip.
The latter is expediently connected to the network through a series transformer 18, the primary winding of which is in the feed line of the main machine, and which is dimensioned so that the machine 17 on the secondary side supplies a voltage that corresponds to the slip voltage of the main machine, taking into account all inductive chips - waste is proportional.
If the compensation machine 1 is to compensate for the inductive voltage drops both in the winding 9 and in the winding 10, then the machine 8, on the one hand under the influence of the machine 17, delivers a voltage component which is the resultant of all of the slip on the other hand, under the influence of the machine 16, a voltage component that covers the ohmic voltage drop in the circle that is independent of the slip. By regulating the last-mentioned component by means of the machine 16, it is therefore possible to regulate the secondary current and thereby the load on the machine 6.
Of course, by simultaneously regulating the primary voltages of the machines 16 and 17, any desired intermediate form between this mode of operation and a load proportional to the slip can be obtained.
The circuits shown in Fig. 6-8 can be modified in such a way that, instead of a compensation machine provided with an independent exciter winding according to FIG. 5, a machine according to FIG. 4 is used in series with a special exciter machine. However, the embodiment shown is generally preferable due to its lower price.