Verfahren und Vorrichtung zum Prüfen elektrischer Maschinen. Die wichtigste der Prüfungen einer elek trischen Maschine ist die Vollast- oder Tem peraturprüfung, bei der man die Maschine so lange unter Vollast laufen lässt, wie es mit Rücksicht auf die beabsichtigte Verwen dung nötig ist, um die höchste normal vor kommende Erwärmung zu erzielen. Diese Prüfung bezweckt hauptsächlich die Eigen schaften der Maschine in bezug auf Erwär mung zu kontrollieren, kann aber auch als Kontrolle ihrer übrigen Belastungseigenschaf ten dienen.
Die vollständige Vollastprüfung erfordert jedoch nach bisher bekannten Verfahren das Vorhandensein einer andern Maschine der selben Grössenordnung wie die der zu prü fenden Maschine, welche damit mechanisch gekuppelt werden kann, um die letztere ent weder als Generator anzutreiben oder von derselben als Motor angetrieben zu werden. Besonders bei grösseren Maschinen ist es ver hältnismässig selten, dass man eine solche Hilfsmaschine besitzt, und selbst wenn es so wäre, kann die mechanische Kupplung auf unübersteigliche Schwierigkeiten stossen, zum Beispiel bei senkrechten Maschinen. Man musste sich daher in solchen Fällen mit teil weisen Belastungsaufnahmen begnügen, zum Beispiel mit einer Leerlaufaufnahme, gege benenfalls bei etwas erhöhter Erregung, in Verbindung mit einer Kurzchlussaufnähme bei normalem Strom.
Solche Aufnahmen können jedoch nur unter gewissen Voraus setzungen eine genaue Vorstellung der Ma schineneigenschalten bei Vollast geben und nehmen ausserdem eine bedeutende Zeit in Anspruch.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, durch welches eine Maschine von praktisch jeder Grössenordnung ohne mecha nische Kupplung mit einer andern Maschine einer gültigen Vollastprüfung unterworfen werden kann. Das Verfahren besteht allge mein darin, dass die Maschine abwechselnd als Motor und als Generator in so schneller Wechselfolge angetrieben wird; dass ihre ro tierende Masse die elektrische Energie auf nehmen bezw. liefern kann, welche im Durch- schnitt der gewünschten Strombelastung ent spricht. Beim Lauf als Motor ohne äussere Last hat die Maschine die Neigung, sich zu beschleunigen und ihre Bewegungsenergie zu vermehren.
Bevor die Geschwindigkeit in dieser Weise einen bestimmten Wert über schritten hat, kann die aufgedrückte Span nung derart in bezug auf Grösse, Frequenz oder Phase geändert werden, dass die Ma schine als Generator zu arbeiten anfängt und ihre Geschwindigkeit vermindert wird, worauf man die Spannung aufs neue ver ändert usw. Die Verhältnisse in der Ma schine können natürlich, je nach deren Art wechseln, ob sie eine synchrone oder asyn chrone Wechselstrommaschine, eine Gleich strommaschine usw. darstellt, aber das Ver fahren bleibt im Grunde dasselbe.
Die periodische Änderung der aufgedrück ten Spannung kann in verschiedener Weise erfolgen. Eine Weise ist eine Regelung im Felde der Antriebsmaschine, eine andere ist die Einschaltung in Reihe mit der eigent lichen Antriebmaschine, von einer Zusatz- nraschine, deren Spannung abwechselnd in beiden Sinnen gerichtet werden kann. Eine einfache, in der Praxis bewährte Weise zur Ausführung des letzterwähnten Prinzips ist, die als Wechselstrommaschine ausge führte Zusatzmaschine mit solcher Geschwin digkeit anzutreiben, dass ihre Periodenzahl etwas von der der Hauptmaschine bezw. von Null, falls die Hauptmaschine Gleichstrom liefert, abweicht.
Wenn es sich zum Beispiel um die Prüfung einer 50-periodigen Wech selstrommaschine handelt, so wird in Reihe mit einer 50-periodigen Antriebsmaschine eine kleine Maschine geschaltet, die zum Beispiel mit 55 Perioden angetrieben wird. Die Span nung der ersteren Maschine soll der normalen Leerlaufspannung der zu prüfenden Maschine gleich sein, während die Spannung der Zu satzmaschine bei einer synchronen Prüfungs maschine von derselben Grössenordnung wie der normale Spannungsabfall der Maschine von Leerlauf bis Vollast sein soll. Die zu prüfende Maschine wird im angegebenen Bei spiel fünfmal in der Sekunde vom Motor- zum Generatorbetrieb und ebenso vielmal umgekehrt übergehen. Die Periodenzahl der Zusatzmaschine soll bei Wechselstrom am besten höher als die der Hauptmaschine sein.
Ist die zu prüfende Maschine eine Gleich strommaschine, so soll die Hauptantriebs maschine Gleichstrom und die Zusatzmaschine eine niedrigperiodige Wechselspannung liefern, beispielsweise in Analogie mit dem eben er wähnten Beispiel eine 5-periodige, in wel chem Falle das Resultat für die zu prü fende Maschine analog wird. Ist die zu prüfende Maschine eine asyn chrone Wechselstrommaschine, so soll die Frequenz der aufgedrückten Spannung um eine Zahl, die in gewissem Verhältnis zur normalen Schlüpfung der Maschine steht, schwanken, während die Grösse der Spannung dann von weniger Bedeutung ist. Die ge wünschte Schwankung der Frequenz kann beispielsweise durch den Antrieb der An triebsmaschine mittelst eines Gleichstrom motors, dessen Erregung bei konstanter, auf gedrückter Spannung periodisch geändert wird, erzielt werden.
Die für synchrone Ma schinen beschriebene Anordnung mit zwei in Reihe geschalteten Antriebsmaschinen mit etwas verschiedener Frequenz kann jedoch auch hier verwendet werden, obgleich ihre Wirkungsweise etwas abweichend wird.
Hat die Hauptmaschine beispielsweise 50 Perioden und die Zusatzmaschine 56 Perio den und etwa einen Drittel der Spannung der Hauptmaschine, so kann man die resul tierende Spannung als zwischen 51,5 und 47, mit Rücksicht auf die Spannungsabfälle annähernd zwischen 52 und 48 Perioden schwankend auffassen. Ihre Grösse schwankt gleichzeitig ziemlich bedeutend, aber dies wird in erheblichem Masse durch den Span nungsabfall in Maschinen und Leitungen aus geglichen und spielt übrigens bei asynchronen Maschinen eine nicht zu bedeutende Rolle. Es ergibt sich hieraus, dass die Asynchron maschine abwechselnd rnit positiver und ne gativer Schlüpfung, d. h. abwechselnd als No- tor und als Generator läuft.
Die erforderliche Periodenzahl der Bela stungsschwankungen der zu prüfenden Ma schine, d. h. der Unterschied zwischen den Periodenzahlen der beiden in Reihe geschal teten Antriebsmaschinen, hängt von der Grösse der zu prüfenden Maschine, dem Gewicht von deren Schwungmasse usw. ab, aber kann übrigens für dieselbe Maschine innerhalb ziemlich weiter Grenzen, z. B. von 1 bis.10 pro Sekunde, schwanken. Bei der Wahl der selben kann man auch auf die Möglichkeit der Erzielung eines scharfen Ablesens der Instrumente, deren Zeiger im allgemeinen mit der doppelten Periodenzahl schwingen, Rück sicht nehmen. Falls die Periodenzahl zu nie drig ist, wird das Ablesen erschwert, aber schon bei wenigen Perioden pro Sekunde bietet es praktisch gar keine Schwierigkeiten dar.
Anderseits darf die Periodenzahl nicht so hoch sein, dass daraus bedingte beträcht liche Zusatzverluste infolge Hysteresis, Wir belströme und dergleichen in der zu prüfen den Maschine entstehen. Als ein zweckmä ssiger Mittelwert für mittelgrosse Maschinen kann das oben angegebene Beispiel (5 w pro Sekunde) dienen.
In der Zeichnung sind Fig. 1 und 2 Vek tordiagramme, die das gegenseitige Verhält nis der Spannungen bei einer für Wechsel strom bestimmten Schaltung der letztbeschrie benen Art darstellen sollen. Fig. 3 zeigt ein Beispiel der Schaltung selbst, einschliesslich der Anordnung der Messinstrumente. Fig. 4 ist ein Stromdiagramm für die zu prüfende Maschine. Fig. 5 und 6 zeigen Schaltungs schemas für die Messung der Wirkleistung und der Blindleistung, und Fig. 7 und 8 die entsprechenden Vektordiagramme. Fig. 9 zeigt ein Schaltungsschema für die gleichzeitige Prüfung zweier Maschinen von etwa derselben Grösse, und Fig. 10 ein entsprechendes-Span nungsdiagramm.
In Fig. 1 ist O1, O2 der Spannungsvektor der Hauptmaschine, welcher als stillstehen der aufgefasst werden kann, während die Zeitlinie mit einer der Periodenzahl entspre chenden Geschwindigkeit rotiert. Die Span nung der Zusatzmaschine wird dann durch einen Vektor dargestellt, der um Punkt 02 entgegengesetzt der Zeitlinie mit einer dem Unterschied zwischen ihrer Periodenzahl und der der Hauptmaschine entsprechenden Ge schwindigkeit rotiert. Falls die beiden Pe riodenzahlen 55 und 50 sind, nimmt der letztgenannte Vektor also während 1/5 Se kunde nacheinander die Stellungen O2A, O2B, O2C und O2D ein. Der resultierende, auf die Maschine aufgedrückte Spannungs vektor würde also, falls kein Spannungsabfall in Generatoren und Leitungen stattfände, nacheinander die Werte O1A, O1B, O1C und O1D in Fig. 1 annehmen.
Mit Rücksicht auf die eintretenden Spannungsabfälle erhalten die Vektoren aber tatsächlich die durch die in gleicher Weise bezeichneten Linien in Fig. 2 angegebenen Werte. Die auf die zu prüfende Maschine aufgedrückte Spannung erhält also eine annäherungsweise konstante Grösse, während ihre Phase und ihre Um laufsfrequenz schwanken. Die Schwankungen der ersteren werden besonders bei einer syn chronen und die Schwankungen der letzteren bei einer asynchronen Maschine von Bedeu tung, wie oben beschrieben wurde.
In dem in Fig. 3 dargestellten Schema einer Schaltung zum Ausführen des Ver fahrens ist 1 der Hauptgenerator und 2 der Zusatzgenerator. 3 ist ein zwischen diesen Generatoren und der zu prüfenden Maschine 4 eingeschalteter Transformator, welcher oft nötig ist, um einen geeigneten Mittelwert der aufgedrückten Spannung zu erhalten. 5 sind Spannungswandler und 6 Stromwandler für die Einschaltung der Messinstrumente, welche zweckmässig aus zwei Stromzeigern 7 und 8, zwei Leistungszeigern 9 und 10, einem Spannungszeiger 11 und einem Fre quenzzeiger 12 bestehen. Zwischen den bei den letzteren und den Spannungsspulen der Leistungszeiger einerseits und den Spannungs wandlern anderseits ist ein Umschalter 13 vorgesehen. Der Zweck dieser Anordnung wird im folgenden näher ,beschrieben.
Wie schon erwähnt, schwankt die zu prüfende Maschine zwischen Motor- und Ge- neratorwickung. Da ihre Erregung während der ganzen Zeit etwa gleich erhalten wird, sei sie in der Maschine selbst erzeugt, wie in einer synchronen Maschine, oder von aussen genommen, wie in einer asynchronen Maschine, erhält das Stromdiagramm etwa den aus Fig. 4 hervorgehenden Anblick. OE ist hier die EMK der Maschine und OIc der darauf senkrechte, konstante Komponent des Stromres. Der Stromvektor schwingt mit seiner Spitze ungefähr einer mit dem Spannungs vektor parallelen Geraden entlang zwischen den beiden Grenzlagen O1a und O1d. Sein wirksamer Mittelwert wird durch OIb dar gestellt.
Soll die Maschine mit Rücksicht auf Er wärmung mit Vollast laufen, so soll offen bar OIb gleich deren normalem Strom sein. Da OIb den auf den Stromzeigern abgele senen Wert darstellt, bietet es keine Schwie rigkeiten dar, eine solche Einstellung vorzu nehmen, dass dieser Strom die richtige Grösse erhält. Es ist aber auch wichtig, den watt losen Komponenten des Maschinenstromes zu kennen, um die Eigenschaften der Maschine mit Rücksicht auf Erregung zu kontrollieren, und zu diesem Zweck ist der Spannungsum schalter 13 angeordnet. Die Wirkungsweise dieser Anordnung geht am besten aus den Fig. 5-8 hervor.
Fig. 5 zeigt ein vereinfachtes Schema für die Einschaltung der beiden Leistungs zeiger in das Netz bei der ausgezogenen Lage des Umschalters 13. 14 und 15 sind hier die Stromspulen, 16 und 17 die Span nungsspulen. Die Spannungen und Ströme werden im Diagramm (Fig. 7) dargestellt. Die Phasenspannungen des Netzes sind OE1, OE2, OE3; die Ströme OI1, OI2 und OI3. Die Hauptspannungen E1E2 und wir ken auf die Spulen 16 und 17, während die Ströme OI1 und OI3 die Spulen 15 durch laufen. Der Ausschlag des einen Leistungs zeigers wird der Projektion von OI1 auf E1E2 proportional, der Ausschlag des andern der Projektion von OI3 auf E2E3 proportional. Die Summe der beiden Ausschläge wird, wie man leicht findet, gleich der gesamten Wirk leistung, d. h. im vorliegenden Falle der Leistung, die zugeführt werden muss, um die Maschinenverluste zu decken.
Dies ist das gewöhnliche 2-Wattmeterverfahren, welches hier nur zur Vergleichung mit dem in Fig. 6 und 8 dargestellten Verfahren beschrieben wurde.
Die Schaltung nach Fig. 6 entspricht der punktierten Lage des Spannungsumschalters in Fig. 3 und stellt im Vergleich mit Fig. 5 den Unterschied dar, dass die äussern Span nungsverbindungen gekreuzt sind. Hierdurch werden die Ausschläge proportional der Pro jektion von OI1 auf E2E3 und von OI3 auf E1E2. Da E2E3 auf OEl und E1E2 auf OE3 senkrecht stehen, werden die oben genannten Projektionen offenbar jede für sich propor tional dem Blindstrom in der betreffenden Phase. Hierdurch kann man die gesamte Blindleistung unmittelbar ablesen, welche, wie man leicht findet, der Summe dieser beiden Wattablesungen, mit
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multipliziert (bei symmetrischer Belastung) gleich wird.
Durch die beschriebene Schaltung kann man also teils den Mittelwert der Strombe lastung der Maschine, welche für die Er wärmung massgebend ist, teils ihre aufge nommene oder abgegebene Blindleistung bei gewisser Erregung und gewisser aufgedrück ter Spannung, teils endlich ihre Gesamtver luste unter diesen Verhältnissen kontrollieren. Man erhält also eine vollständige Kenntnis der Haupteigenschaften der Maschine.
Es ist besonders zu beachten, dass in einer asynchronen Maschine, wo die Kurve, auf welcher die Spitze des Stromvektors sich bewegt, im allgemeinen mehr von der Gera den als bei synchronen Maschinen abweicht (beide Kurven sind tatsächlich Kreisbögen, und derjenige der asynchronen Maschine hat im allgemeinen den kleineren Durchmesser), der auf dem Leistungszeiger abgelesene Wert der Blindleistung irr der Tat einen Zwischen wert zwischen den während einer vollstän digen Belastungsperiode herrschenden Werten darstellt. In der Praxis wird dieser Mittel wert fast genau gleich der Blindleistung bei Vollast, weshalb der normale Leistungsfaktor der Maschine in dieser Weise leicht gemes sen werden kann.
Die beschriebene Einschaltung der Lei stungszeiger kann natürlich derart abgeän dert werden, dass die Stromspulen anstatt der Spannungsspulen umgeschaltet werden, obgleich dies im allgemeinen etwas umständ lich infolge der höheren Stromstärke in den umgeschalteten Verbindungen wird. Selbst verständlich soll man, falls eine derartige Umschaltung vorgenommen wird, die ge wöhnliche Vorsichtsmassregel beachten, die Sekundärkreise der Stromwandler nicht zu unterbrechen, weshalb der Umschalter dann ohne Unterbrechung ausgeführt werden soll.
Um nur die Blindleistung zu messen, ist es bei symmetrischer Verteilung derselben (welche im allgemeinen vorhanden ist) offen bar nicht notwendig, die beiden Leistungs zeiger zu verwenden, da ja diese, wie aus dem Obigen hervorgeht, denselben Ausschlag geben. Wesentlich ist nur, dass der oder die verwendeten Leistungszeiger mit der Strom spule in einer Zuleitung zur Maschine und mit der Spannungsspule zwischen die beiden übrigen eingeschaltet sind.
Wenn zwei Maschinen von genau oder beinahe derselben Grösse gleichzeitig geprüft werden können, kann eine Schaltung nach Fig. 9 verwendet werden. 1 ist hier die Hauptantriebsmaschine und 2 die Hilfsma schine, wie vorher, während 41 und 42 die zu prüfenden Maschinen sind. Die Wicklung der Hilfsmaschine 2 ist in zwei gleiche, in Reihe geschaltete Teile 21 und 22 unterteilt, und die Klemmen der Maschine 1 sind an die Verbindungsleitungen zwischen den genann ten Teilen angeschlossen. Das entsprechende Vektordiagramm ist in Fig. 10 gezeichnet. O1O2 ist hier die Spannung der Hauptantriebs maschine, O2P1 und O2P2 diejenigen der bei den Teile der Hilfsmaschine.
Wenn die Ma schine 41 eine verminderte, nacheilende oder niedrigperiodige aufgedrückte Spannung er hält und also als Generator arbeitet, so er hält die Maschine 42 gleichzeitig eine er höhte, voreilende oder hochperiodige Span nung und arbeitet als Motor. Der Belastungs- strom wird zwischen den Maschinen 41 und 42 pendeln und die Maschine 1 praktisch unberührt lassen. Die letztere Maschine kann also in diesem Falle von bedeutend niedrigerer Strom kapazität sein als erforderlich ist, wenn die Schaltung nach Fig. 3 verwendet wird.
Beim Beginn der Prüfung geht man zweck mässig so vor, dass die Zusatzmaschine, die während des Anlassens der Maschinen 1 und 4 bezw. 41 und 42 in Synchronismus mit der grösseren Antriebsmaschine getrieben (bezw. bei Gleichstrom, stillstehend erhalten) wurde, zunächst in die höhere (Geschwindig keit aufgezwungen und darnach vorsichtig erregt wird, indem man beachtet, dass ihre Geschwindigkeit annähernd gleich gehalten wird.
Ausser dem Vorteil, eine Vollastprüfung von Maschinen zu ermöglichen, an welchen dies bisher unmöglich war, bietet das vor liegende Verfahren auch denjenigen, die Prü fung solcher Maschinen bedeutend zu er leichtern, wo eine Vollastprüfung gemäss bis her bekannten Verfahren möglich wäre. Eine derartige Prüfung macht nämlich, wie schon erwähnt, die mechanische Verbindung der zu prüfenden Maschine mit einer andern Ma schine derselben Grössenordnung notwendig. Diese Verbindung muss wenigstens bei grö sseren Maschinen im allgemeinen durch Di rektkupplung erfolgen, da man gewöhnlich nicht Riemenscheiben und Riemen von hinreichenden Dimensionen zur Verfügung hat. Die Direktkupplung setzt indessen eine zeitraubende Aufrichtung der Maschine vor aus, und ein genügender Raum muss immer für die koachsiale Aufstellung der Maschine vorhanden sein.
Die vorliegende Erfindung bietet deshalb auch in den Fällen, wo sie nicht die einzige Möglichkeit zur Vollastprü- fung darstellt, so grosse Möglichkeiten zur Ersparnis von Zeit, Raum und Kosten, dass sie auch in diesen Fällen einen erheblichen technischen Vorteil bedeutet.
Method and device for testing electrical machines. The most important of the tests on an electrical machine is the full load or temperature test, in which the machine is left to run under full load for as long as is necessary, taking into account the intended use, in order to achieve the highest normal temperature rise. The main purpose of this test is to check the properties of the machine with regard to heating, but it can also be used to check its other load properties.
The full load test, however, requires the presence of another machine of the same order of magnitude as that of the machine to be tested, which can be mechanically coupled to either drive the latter as a generator or to be driven by the same as a motor. Particularly with larger machines, it is relatively rare to have such an auxiliary machine, and even if it were, the mechanical coupling can encounter insurmountable difficulties, for example with vertical machines. In such cases, therefore, one had to be content with partial load absorption, for example with an idle absorption, possibly with a slightly increased excitation, in connection with a short-circuit absorption with normal current.
However, such recordings can only give a precise idea of the machine's own switching at full load under certain conditions and also take up a considerable amount of time.
The present invention relates to a method by which a machine of practically any size can be subjected to a valid full load test without mechanical coupling with another machine. The method generally consists in that the machine is driven alternately as a motor and as a generator in such rapid alternation; that their rotating mass take up the electrical energy or. can deliver which corresponds on average to the desired current load. When running as a motor without an external load, the machine has a tendency to accelerate and increase its kinetic energy.
Before the speed has exceeded a certain value in this way, the voltage applied can be changed in terms of size, frequency or phase in such a way that the machine starts to work as a generator and its speed is reduced, whereupon the voltage is increased new changes, etc. The conditions in the machine can of course change depending on the type of machine, whether it is a synchronous or asynchronous AC machine, a DC machine, etc., but the process basically remains the same.
The periodic change in the imprinted voltage can be done in various ways. One way is a regulation in the field of the prime mover, another is the connection in series with the actual prime mover by an additional machine, the voltage of which can be directed alternately in both senses. A simple, proven in practice way of executing the last-mentioned principle is to drive the additional machine out as an alternating current machine with such Geschwin speed that its number of periods is somewhat different from that of the main machine. deviates from zero if the main machine supplies direct current.
If it is, for example, the test of a 50-period AC machine, a small machine is connected in series with a 50-period drive machine, which is driven, for example, with 55 periods. The voltage of the former machine should be equal to the normal open circuit voltage of the machine to be tested, while the voltage of the additional machine in a synchronous test machine should be of the same order of magnitude as the normal voltage drop of the machine from no load to full load. In the example given, the machine to be tested will switch from motor to generator mode five times a second and vice versa just as many times. The number of cycles of the additional machine should ideally be higher than that of the main machine with alternating current.
If the machine to be tested is a direct current machine, the main drive machine should supply direct current and the auxiliary machine should supply a low-period alternating voltage, for example in analogy to the example just mentioned, a 5-period, in wel chem case the result for the machine to be tested is analogous becomes. If the machine to be tested is an asynchronous alternating current machine, the frequency of the voltage applied should fluctuate by a number that is in some proportion to the normal slip of the machine, while the size of the voltage is then of less importance. The desired fluctuation in the frequency can be achieved, for example, by driving the prime mover by means of a direct current motor, the excitation of which is periodically changed at a constant voltage applied to it.
The arrangement described for synchronous Ma machines with two drive machines connected in series with slightly different frequencies can, however, also be used here, although their mode of operation is somewhat different.
For example, if the main machine has 50 periods and the additional machine 56 periods and about a third of the voltage of the main machine, the resulting voltage can be interpreted as fluctuating between 51.5 and 47, taking into account the voltage drops, approximately between 52 and 48 periods. At the same time, their size fluctuates quite significantly, but this is compensated to a considerable extent by the voltage drop in machines and cables and, incidentally, does not play a significant role in asynchronous machines. It follows from this that the asynchronous machine alternates with positive and negative slip, i.e. H. alternately runs as a notor and as a generator.
The required number of periods of load fluctuations in the machine to be tested, d. H. the difference between the number of periods of the two drive machines connected in series depends on the size of the machine to be tested, the weight of its flywheel, etc., but can incidentally for the same machine within fairly wide limits, e.g. From 1 to 10 per second. When choosing the same one can also take into account the possibility of achieving a clear reading of the instruments, the pointers of which generally vibrate with twice the number of periods. If the number of periods is too low, it is difficult to read, but even with a few periods per second it is practically no problem at all.
On the other hand, the number of periods must not be so high that it causes considerable additional losses due to hysteresis, eddy currents and the like in the machine to be tested. The example given above (5 watts per second) can serve as a useful mean value for medium-sized machines.
In the drawing, Fig. 1 and 2 are vector diagrams that are intended to represent the mutual ratio of the voltages in a circuit intended for alternating current of the last described enclosed type. Fig. 3 shows an example of the circuit itself, including the arrangement of the measuring instruments. Figure 4 is a current diagram for the machine under test. FIGS. 5 and 6 show circuit diagrams for measuring the active power and reactive power, and FIGS. 7 and 8 show the corresponding vector diagrams. FIG. 9 shows a circuit diagram for the simultaneous testing of two machines of approximately the same size, and FIG. 10 shows a corresponding voltage diagram.
In Fig. 1, O1, O2 is the voltage vector of the main machine, which can be understood as standing still, while the time line rotates at a speed corresponding to the number of periods. The voltage of the auxiliary machine is then represented by a vector which rotates at point 02 opposite the time line with a speed corresponding to the difference between its number of periods and that of the main machine. If the two period numbers are 55 and 50, the last-mentioned vector thus takes positions O2A, O2B, O2C and O2D one after the other for 1/5 of a second. The resulting voltage vector imposed on the machine would, if there was no voltage drop in generators and lines, successively assume the values O1A, O1B, O1C and O1D in FIG.
In view of the voltage drops which occur, the vectors are actually given the values indicated by the lines denoted in the same way in FIG. The voltage impressed on the machine to be tested is thus approximately constant, while its phase and frequency fluctuate. The fluctuations in the former become particularly important in a synchronous machine and the fluctuations in the latter in an asynchronous machine, as described above.
In the scheme of a circuit shown in Fig. 3 for executing the process, 1 is the main generator and 2 is the auxiliary generator. 3 is a transformer connected between these generators and the machine 4 to be tested, which is often necessary in order to obtain a suitable mean value of the applied voltage. 5 are voltage converters and 6 are current converters for switching on the measuring instruments, which expediently consist of two current indicators 7 and 8, two power indicators 9 and 10, a voltage indicator 11 and a frequency indicator 12. Between the power indicator in the latter and the voltage coils on the one hand and the voltage converters on the other hand, a switch 13 is provided. The purpose of this arrangement is described in more detail below.
As already mentioned, the machine to be tested fluctuates between the motor and generator windings. Since their excitation is maintained approximately the same throughout the entire time, be it generated in the machine itself, as in a synchronous machine, or taken from the outside, as in an asynchronous machine, the current diagram is approximately as shown in FIG. Here OE is the EMF of the machine and OIc is the constant component of the current that is perpendicular to it. The current vector oscillates with its tip approximately along a straight line parallel to the voltage vector between the two limit positions O1a and O1d. Its effective mean value is represented by OIb.
If the machine is to run at full load, taking into account the heating, then OIb should obviously be the same as its normal current. Since OIb represents the value read on the current indicators, there is no difficulty in making such a setting that this current is of the correct size. But it is also important to know the wattless components of the machine current in order to control the properties of the machine with regard to excitation, and for this purpose the voltage switch 13 is arranged. The operation of this arrangement is best shown in Figs. 5-8.
Fig. 5 shows a simplified scheme for the connection of the two power pointers in the network with the extended position of the switch 13. 14 and 15 are the current coils, 16 and 17 are the voltage coils. The voltages and currents are shown in the diagram (Fig. 7). The phase voltages of the network are OE1, OE2, OE3; the currents OI1, OI2 and OI3. The main voltages E1E2 and we ken on the coils 16 and 17, while the currents OI1 and OI3 run through the coils 15. The deflection of one output pointer is proportional to the projection from OI1 to E1E2, the deflection of the other is proportional to the projection from OI3 to E2E3. As is easy to find, the sum of the two deflections is equal to the total active power, i.e. H. in the present case, the power that must be added to cover the machine losses.
This is the usual 2-watt meter method, which has only been described here for comparison with the method shown in FIGS. 6 and 8.
The circuit according to FIG. 6 corresponds to the dotted position of the voltage changeover switch in FIG. 3 and, compared with FIG. 5, shows the difference that the external voltage connections are crossed. This makes the deflections proportional to the projection from OI1 to E2E3 and from OI3 to E1E2. Since E2E3 are perpendicular to OE1 and E1E2 to OE3, the projections mentioned above are apparently each proportional to the reactive current in the relevant phase. This allows you to read off the total reactive power directly, which, as you can easily find, is the sum of these two watt readings
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multiplied (with symmetrical loading) becomes equal.
With the circuit described, you can partly control the mean value of the current load on the machine, which is decisive for the heating, partly the reactive power it has absorbed or emitted with a certain level of excitation and a certain voltage applied, partly its total losses under these conditions. So you get complete knowledge of the main characteristics of the machine.
It is particularly important to note that in an asynchronous machine, where the curve on which the tip of the current vector moves, generally deviates more from the straight line than in synchronous machines (both curves are actually circular arcs, and that of the asynchronous machine has generally the smaller diameter), the value of the reactive power read on the power pointer actually represents an intermediate value between the values prevailing during a complete load period. In practice, this mean is almost exactly the same as the reactive power at full load, which is why the normal power factor of the machine can easily be measured in this way.
The described activation of the power indicator can of course be changed in such a way that the current coils are switched instead of the voltage coils, although this is generally a little awkward due to the higher current in the switched connections. Of course, if such a changeover is made, the usual precautionary rule should be observed not to interrupt the secondary circuits of the current transformers, which is why the changeover switch should then be carried out without interruption.
In order to measure only the reactive power, it is obviously not necessary to use the two power indicators with symmetrical distribution of the same (which is generally available), since, as can be seen from the above, they give the same deflection. It is only essential that the power indicator (s) used are switched on with the current coil in a supply line to the machine and with the voltage coil between the other two.
If two machines of exactly or nearly the same size can be tested at the same time, a circuit of Figure 9 can be used. 1 is the main drive machine and 2 is the auxiliary machine, as before, while 41 and 42 are the machines to be tested. The winding of the auxiliary machine 2 is divided into two equal parts 21 and 22 connected in series, and the terminals of the machine 1 are connected to the connecting lines between the named parts. The corresponding vector diagram is drawn in FIG. O1O2 is the voltage of the main drive machine, O2P1 and O2P2 those of the parts of the auxiliary machine.
If the machine 41 is a reduced, lagging or low-period voltage he holds and thus works as a generator, he keeps the machine 42 at the same time he increased, leading or high-period voltage and works as a motor. The load current will oscillate between machines 41 and 42 and leave machine 1 practically unaffected. The latter machine can thus be of significantly lower current capacity in this case than is required when the circuit of FIG. 3 is used.
At the beginning of the test, it is advisable to proceed so that the additional machine, respectively, during the start-up of machines 1 and 4. 41 and 42 driven in synchronism with the larger drive machine (or with direct current, kept stationary), first in the higher (speed imposed and then carefully excited, taking into account that their speed is kept approximately the same.
In addition to the advantage of enabling a full load test of machines on which this was previously impossible, the present method also offers those who significantly facilitate the testing of such machines where a full load test according to previously known methods would be possible. As already mentioned, such a test requires the mechanical connection of the machine to be tested with another machine of the same order of magnitude. In the case of larger machines, at least, this connection must generally be made by direct coupling, since pulleys and belts of sufficient dimensions are usually not available. The direct coupling, however, requires a time-consuming erection of the machine, and sufficient space must always be available for the coaxial installation of the machine.
The present invention therefore offers such great possibilities for saving time, space and costs even in those cases where it is not the only possibility for full-load testing that it also means a considerable technical advantage in these cases.