Mehrphasige Asynchronmaschine mit in Kaskade geschalteter Kommutatormaschine Bei einer mehrphasigen Asynchronmaschine, die mit einer Kommutatormaschine in Kaskade geschaltet ist, entsteht durch die induktiven Spannungsabfälle eine Verdrehung der Spannung der Hintermaschine.
Wenn angenommen wird, dass die Asynchron maschine bei allen Betriebszuständen so erregt sei, dass primär keine Phasenkompensation stattfindet, so muss die Spannung der Hintermaschine im Leer lauf bei jedem Schlupf vektoriell praktisch in glei cher bzw. entgegengesetzter Richtung mit der pri mären Netzspannung liegen, vorausgesetzt, dass sich alle Vektoren auf den primären Stromkreis be ziehen.
Bei Belastung muss die Spannung der Hinter maschine mit Rücksicht auf die induktiven Span nungsabfälle im primären Stromkreis der Asyn- chronmaschine im Sekundärkreis (Rotor der Asyn- chronmaschine und der Kommutatormaschine) und in einer etwa vorhandenen Gegen-Kompoundwick- lung der Hintermaschine usw. verdreht werden. Die Verdrehung erfolgt im Sinne der Nacheilung, be zogen auf den Drehsinn der Vektoren des Primär kreises, bei motorischer Belastung und bei unver ändertem primärem Blindstrom.
Bei generatorischer Belastung erfolgt die Drehung im umgekehrten Sinn. über das Verhalten der Spannung der Hinter maschine ist eine analytische Untersuchung in den Brown-Boveri-Mitteilungen 1955, S. 365-368 (Ab schnitt: Anhang) zu finden. Die folgenden Ableitun gen lehnen sich an diese Darstellung an.
In den Symbolen bedeuten: U = Netzspannung, E = induzierte EMK, J = Strom, r bzw. x = Resi- stanz bzw. Reaktanz. Alle Grössen sind auf ein und denselben Stromkreis reduziert. Die Indizes sollen bezeichnen: 1 bzw. 2 = Statorwicklung bzw. Rotor wicklung der Asynchronmaschine, k = Hinter maschine (Stator + Rotor), 6 = Komponente des Streuflusses. Im Ohmschen Widerstand rk der Hin- termaschine soll der fiktive Widerstand, der ihrer Gegenkompoundwicklung entspricht, eingeschlossen sein.
Es ist:
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worin s = Schlupf. Wir setzen: r2 -f- <I>rk</I> = %H <B>;</B> xa2 -i-- xssk <I>=</I> xarr. Durch Elimination von J2 folgt:
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Diesem in den Gleichungen (5) und (6) darge stellten Gesetz muss die Spannung der Hinter maschine folgen. Bei konstanter Wirk-
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und Blind leistung ist
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vorgegeben und die Ortskurve für die Zeigerspitze von
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wird eine gerade Linie mit s als Parameter.
Ihre Neigung wird durch Differen- tiation von (5) nach s erkennbar:
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Meistens ist cos 991 " 0, und im Primärstrom kann die Blindkomponente gegenüber der Wirk komponente vernachlässigt werden.
Dann steht auf der rechten Seite der Gleichung (7) der zweite Term senkrecht auf dem ersten, und der Neigungswinkel d der Ortsgeraden von
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ergibt sich aus:
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(8) tg ö .-,:
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worin Ja den Kurzschlussstrom be deutet. J1 ist für motorische Energierichtung posi tiv einzusetzen. Die Fig. 3 zeigt drei solche Ortskurven für
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Die Blindkomponente des Statorstroms ist gleich 0 gesetzt.
Die Gerade a gilt für motorische Nennlast, die Gerade b für Leerlauf, die Gerade c für genera- torische Nennlast. Auf den Ortsgeraden sind Punkte angedeutet. Dabei bezeichnet ein angefügter Strich etwa 5 % untersynchronen Schlupf, zwei Striche Synchronismus, drei Striche etwa 5 11/o übersynchro nen Schlupf. Man erkennt, dass die Ortsgerade bei Änderung des Wirkstroms verdreht wird.
Die Ver drehung der Ortskurve für die Spannung der Hinter maschine kann sich unangenehm auswirken, wie aus folgenden Überlegungen hervorgeht: Die Asynchronmaschine, deren Kommutatorhin- termaschine direkt oder indirekt über einen oder mehrere Frequenzumformer erregt wird, kann durch entsprechende Erregung der Frequenzumformer in ihrer Wirkleistung bzw. ihrem Schlupf und in ihrer Blindleistung eingestellt bzw. geregelt werden.
Man pflegt zu diesem Zweck dem Frequenzumformer entweder zwei in Reihe geschaltete, etwa senkrecht aufeinander stehende Spannungskomponenten oder zwei parallel geschaltete Stromkomponenten, die ebenfalls etwa senkrecht aufeinander stehen, zuzu führen.
Mit der einen Komponente soll der Wirk strom der Asynchronmaschine nach Grösse und Richtung oder deren Schlupf eingestellt werden und mit der andern Komponente die Blindleistung der Asynchronmaschine. Die beiden Komponenten (Span nung und Strom), die dem Frequenzumformer zu geführt werden, können zum Beispiel durch je einen Doppelinduktionsregler geliefert werden, von denen jeder die Einstellung der betreffenden Grösse in der zugehörigen Richtung erlaubt, und zwar in beliebig gewählter Grösse positiv oder negativ. Die zuvor erwähnte Verdrehung der Ortskurve der Spannung der Hintermaschine hat aber zur Folge, dass die Regelung gestört wird.
Bei Betätigung des Doppel induktionsreglers für Wirkleistung wird auch die Blindleistung störend beeinflusst und umgekehrt. Die zuvor beschriebene Ortskurve gibt nämlich die Rieh- tung der Komponente an, um welche die Spannung der Hintermaschine geändert werden muss, um die Wirkleistung der Asynchronmaschine konstant zu halten, wenn ihre Drehzahl, das heisst ihr Schlupf, ändert. In der gleichen Richtung müsste die Erre gung der Hintermaschine geregelt werden; das heisst, der entsprechende Doppelinduktionsregler sollte nur in dieser Richtung wirken.
Für eine andere Wirk leistung der Asynchronmaschine muss aber die für die Regelung dienende Erregungskomponente in an derer Richtung aufgebracht werden, da die Orts kurve eine Drehung erfahren hat. Der Doppelinduk- tionsregler, dessen Spannung in der zuvor gewählten Richtung festliegt, kann sich aber der gewünschten Drehung nicht von selbst anpassen, so dass er bei Änderung der Wirkleistung die Blindleistung stö rend beeinflusst. Eine analoge Überlegung gilt für Änderung der Blindleistung und für den zuge hörigen Doppelinduktionsregler, der eine zu jenem senkrechte Komponente liefert.
Er würde bei Ände rung der Blindleistung die Wirkleistung störend be einflussen.
Zweck der Erfindung ist nunmehr, bei einer drei- phasigen Asynchronmaschine mit in Kaskade ge schalteter Kommutatormaschine, die durch minde stens einen Kommutator-Frequenzumformer von zwei elektrisch aufeinander senkrecht stehenden Komponenten, von denen die eine die Wirkleistung bzw. den Schlupf der Asynchronmaschine beein flusst, die andere deren Blindleistung bzw.
den Lei stungsfaktor, erregt wird, die erwähnte störende Wirkung der Verdrehung der Ortsgeraden der Span nung der Kommutatorhintermaschine mit der Strom- und Leistungsänderung der Asynchronmaschine zu beheben.
Gemäss der Erfindung wird dies dadurch er reicht, dass die Phasenlage der Spannung bzw. des Stromes des Frequenzumformers in Abhängigkeit vom Primärstrom der Asynchronmaschine gedreht wird. Diese Verdrehung wird derart vorgenommen, dass der störende Einfluss der Phasenverdrehung der Ortsgeraden der induzierten EMK der Kommu- tator-Hintermaschine infolge der induktiven Span nungsabfälle der Asynchronmaschine und Hinter maschine wenigstens annähernd kompensiert wird.
Vorzugsweise wird also die Verdrehung am Fre- quenzumformer um den gleichen Winkel und in der gleichen Richtung vorgenommen, wie sich die Orts gerade der EMK der Hintermaschine dreht. Dann wirkt eine Erregerkomponente am Frequenzumfor- mer nach wie vor im gleichen Sinn, zum Beispiel auf die Wirkleistung bzw. den Schlupf oder auf die Blindleistung. Die Verdrehung der Ortsgeraden der Hintermaschine wird hauptsächlich durch Änderung der Wirkkomponente des Stromes der Asynchron maschine hervorgerufen (vgl. Gleichung 7).
Die Ver drehung am Frequenzumformer soll daher vorzugs weise in Abhängigkeit von der Wirkkomponente des Primärstromes der Asynchronmaschine erfolgen. Wenn die Spannung der Hintermaschine der Erre- gung über den Frequenzumformer in der Phasen lage wenigstens annähernd folgt, soll der Winkel e der Verdrehung des an den Frequenzumformer ge lieferten Stromes mit dem zuvor genannten Winkel wenigstens annähernd übereinstimmen, das heisst, es soll sein tg (JIP = Wirkkomponente des Primärstromes
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der Asynchronmaschine)
. Der Erfindungsgedanke wird nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. 1 stellt das Schema eines Netzkupplungsumformers dar. Die Synchronmaschine S hängt an dem einen Netz, zum Beispiel einem Einphasen-Bahnnetz <I>U V</I> von 162/;, Hz. Die mit ihr gekuppelte Asynchron maschine A liegt an dem andern Netz, zum Beispiel einem Drehstrom-Industrienetz RST von 50 Hz.
In Kaskade mit der Asynchronmaschine A liegt die Kommutatormaschine K, die zum Beispiel als Scher- biusmaschine ausgebildet ist. Deren Erregerwicklung e1; wird von der Erregermaschine E gespeist, die eine Scherbiusmaschine mit starker Gegen-Kompound- wicklung er sein kann und durch einen Motor M angetrieben wird.
Die Erregerwicklung ez der Er regermaschine E wird über einen Ohmschen Wider stand R vom Frequenzumformer F gespeist, der vor zugsweise kompensiert ausgeführt wird, so dass ihm an seinen Schleifringen nur der Erregerstrom zuge führt wird. Letzterer wird von zwei Doppelinduk- tionsreglern D,. und Db geliefert, die sekundär in Serie und primär parallel geschaltet sind und vom Netz RST über den Transformator<I>T</I> erregt werden.
Die von den Doppelinduktionsreglern D ., Db gelie ferte vektorielle Spannungssumme ergibt eine Span nungskomponente von etwa gleicher Phasenlage und etwa proportionaler Grösse in der Scherbiusmaschine K, da der Charakter des Erregerkreises der Erreger maschine E praktisch ohmisch ist und ferner deren Gegenkompound-Amperewindungen den Amperewin- dungen der Erregerwicklung der Erregermaschine praktisch gleich sind.
Zur Stabilisierung kann die Scherbiusmaschine K noch eine Gegenkompound- wicklung C.I; haben. Ihre Wirkung entspricht einer künstlichen Vergrösserung des Ohmschen Wider standes im Sekundärkreis der Asynchronmaschine. Sind die Spannungen der beiden Doppelinduktions- regler D ., Db um 90 e1. gegeneinander verschoben, so kann man die Bürsten des Frequenzumformers F so einstellen,
däss für eine bestimmte Durchgangs leistung der eine Doppelinduktionsregler D, im we sentlichen auf die Wirkleistung der Asynchron maschine einwirkt und der andere Doppelinduktions- regler Db im wesentlichen auf die Blindleistung.
Wenn jedoch die Phasenlage der Spannung der Doppelinduktionsregler starr mit derjenigen der Spannung des Netzes RST gekoppelt ist, das heisst, wenn der Vektor des Reglers D, nicht der Verdre hung der Ortsgeraden der EMK der Scherbiusma- schine K mit der Änderung der Durchgangsleistung der Umformergruppe folgt, so beeinflusst der Regler D,, auch die Blindleistung und umgekehrt der Regler Db auch die Wirkleistung.
Diese gemischte Beein flussung kann aufgehoben oder vermindert werden, wenn die Spannung des Frequenzumformers F mit der Ortsgeraden der EMK der Scherbiusmaschine K gedreht wird, was durch den Kompoundtransformator C automatisch erfolgen kann. Die Primärwicklung des Kompoundtransformators C wird vom Primär strom der Asynchronmaschine A durchflossen. Da durch entsteht in der Sekundärwicklung des Kom- poundtransformators
eine Spannung, die dem Pri märstrom der Asynchronmaschine proportional ist. Die Sekundärwicklung des Kompoundtransformators wird mit der Sekundärwicklung des Transformators T in Reihe geschaltet, und zwar in einer solchen Phasenlage, dass die Spannung des Kompoundtrans- formators bei Speisung seiner Primärwicklung mit Wattstrom wenigstens annähernd senkrecht zu der Sekundärspannung des Transformators T steht, die die Doppelinduktionsregler speist.
Bei motorischer Belastung der Asynchronmaschine soll dadurch die totale, den Doppelinduktionsreglern zugeführte Span nung nacheilend verdreht werden, und zwar vor zugsweise um einen Winkel e, dessen tg e = etwa
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ist. Bei dieser Verdrehung der Phasenlage der den Frequenzumformer zugeführten Spannungskom ponenten wirkt der Doppelinduktionsregler für Wirk leistung D W praktisch nur noch auf die Wirkleistung ein und der Doppelinduktionsregler für Blindlei stung Db praktisch nur noch auf die Blindleistung.
Die Regelorgane stören sich nicht mehr gegenseitig.
Die an dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 erläuterte Erfindung kann sinngemäss auch auf andere, ähnliche Schaltungen angewendet werden. Es können beispielsweise die Doppelinduktions- regler auch in sogenannter Stromschaltung ver wendet werden, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Die Doppelinduktionsregler DW, Db werden hier primär in Reihe geschaltet und über eine Drosselspule L gespeist.
Die Sekundärströme der Doppelinduktions- regler werden parallel geschaltet, dadurch wird der Frequenzumformer F und dementsprechend auch die Erregerwicklung eI; der Scherbiusmaschine K mit zwei zueinander senkrecht stehenden Strom komponenten versorgt, die jede für sich nach Grösse und Vorzeichen eingestellt werden können. Die Ver drehung des Frequenzumformerstromes muss bei dieser Schaltung durch Überlagerung des Sekundär Stromes des Kompoundtransformators C vorgenom men werden, wenn man zwischen Drosselspule L und den Doppelinduktionsreglern einspeist.
Es ist auch denkbar, die Korrektur vor der Drosselspule D vorzunehmen. In diesem Fall muss die Sekundär wicklung des Kompoundtransformators C zwischen Transformator T und Drosselspule L in Reihe ge schaltet werden. Der Kompoundtransformator wird dann etwas grösser. Falls die Erregerleistung für den Frequenzumformer nicht ausreicht, muss noch eine weitere Erregerstufe vorgesehen werden.
Zu erwähnen wäre noch, dass der Kompound- transformator C bei Parallelschaltung seiner Sekun därwicklung eine enge Kupplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung aufweisen muss; in ihm müssen dann die Ströme beider Wicklungen einander etwa annähernd proportional sein. Bei der Serienschal tung nach Fig. 1 dagegen sollen nicht die Ströme beider Wicklungen einander proportional sein, son dern die Sekundärspannung dem Primärstrom.
Die Kupplung muss dann lose sein, was durch Erhöhung des Magnetisierungsstromes zum Beispiel durch ver grösserte Trennfugen im Eisenblechpaket erreicht werden kann.
Statt über Doppelinduktionsregler können auch auf andere Weise regelbare Spannungen oder Ströme dem Frequenzumformer zugeführt werden, und zwar in Spannungsschaltung, wie nach Fig. 1 oder in Stromschaltung,
wie nach Fig.2. Zwei elektrisch aufeinander senkrecht stehende Komponenten kön nen zum Beispiel durch verschiedene eventuell be wegliche Bürstensätze mit entsprechender Phasen verschiebung am Frequenzumformer F abgegriffen werden oder durch Abgriff einer Mehrphasenspan- nung am Frequenzumformer und durch derartige Speisung der Erregerwicklungen der Scherbius- maschine K, dass zwei aufeinander senkrecht ste hende Durchflutungen aufgebracht werden.
In allen diesen Fällen kann- das Mittel der Erfindung sinn gemäss eingesetzt werden und leistet dann den be schriebenen Vorteil.
Denkbar ist auch eine Erregung des Frequenz umformers F über einen Synchron-Synchronumfor- mer. Von diesem läuft die eine Synchronmaschine als Motor, gespeist vom Primärnetz der Asynchron maschine. Die zweite liefert als Generator den Er regerstrom für den Frequenzumformer; sie hat zwei um 90 elektrisch gegeneinander versetzte Feldwick lungen im Rotor, so dass die erzeugte Spannung analog aus zwei Komponenten besteht.
Auch bei diesem Umformer kann die Erfindung angewandt werden. .Man wird hier mit Vorteil zu der Span nung, die den Synchronmotor speist, diejenige der Sekundärwicklung des Kompoundtransformators in Serie schalten.