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Mehrphasige, vorzugsweise dreiphasige 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 Asynchronmaschine bei allen Betriebszuständen so erregt sei, daß sie
primär keinen Blindstrom führt, so liegt die Spannung der Hintermaschine im Leerlauf
bei jedem Schlupf vektoriell praktisch in gleicher bzw. entgegengesetzter Richtung
mit der primären Netzspannung, vorausgesetzt, daß sich alle Vektoren auf den primären
Stromkreis beziehen. Bei Belastung wird die Spannung der Hintermaschine durch die
induktiven Spannungsabfälle im primären Stromkreis der Asynchronmaschine, im Sekundärkreis
(Rotor der Asynchronmaschine und der Kommutatormaschine) und in einer etwa vorhandenen
Kompoundwicklung der Hintermaschine usw. verdreht. Die Verdrehung erfolgt im Sinne
der Nacheilung, bezogen auf den Drehsinn der Vektoren des Primärkreises, bei motorischer
Belastung und cos 9 = 1. Bei generatorischer Belastung erfolgt die Drehung im umgekehrten
Sinn. Wird der Verdrehungswinkel mit 8 bezeichnet, so ist tg 8 = etwa worin J1 den
Primärstrom (bei motorischer Energierichtung
positiv) und Jc den Kurzschlußstrom bedeuten. Die Verdrehung der Spannung der Hintermaschine
kann sich unangenehm auswirken, wie aus folgendem Beispiel hervorgeht.
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Die Asynchronmaschine, deren Kommutatorhintermaschine direkt oder
indirekt durch einen odermehrere 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, zuzuführen. Mit der einen Komponente kann dann der Wirkstrom der Asynchronmaschine
nach Größe und Richtung oder deren Schlupf eingestellt werden und mit der anderen
Komponente die Blindleistung der Asynchronmaschine. Die beiden Komponenten (Spannung
und Strom), die dem Frequenzumformer zugeführt werden, können z. B. durch je einen
Doppelinkudtionsregler 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 Spannung der Hintermaschine
hat aber zur Folge, daß die Regelung gestört wird. Bei Betätigung des Doppelinduktionsreglers
für Wirkleistung wird auch die Blindleistung störend beeinflußt, und umgekehrt.
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Zweck der Erfindung ist nunmehr, bei einer Asynchronmaschine mit in
Kaskade geschalteter Kommutatormaschine, die direkt oder indirekt durch mindestens
einen Kommutatorfrequenzumformer erregt wird, die erwähnte störende Wirkung der
Verdrehung der Phasenlage der Kommutatorhintermaschine mit der Strom- und Leistungsänderung
der Asynchronmaschine zu beheben.
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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Phasenlage
der Spannung bzw. des Stromes des Frequenzumformers in Abhängigkeit vom Primärstrom
der Asynchronmaschine derart gedreht wird, daß der die Eindeutigkeit der Erregung
störende Einfluß der Phasenverdrehung der Spannung der Kommutatorhintermaschine
infolge der induktiven Spannungsabfälle der Asynchronmaschine und Hintermaschine
wenigstens annähernd kompensiert wird. Vorzugsweise wird also die Verdrehung am
Frequenzumformer um den gleichen Winkel und in der gleichen Richtung vorgenommen,
wie sich die Spannung der Hintermaschine dreht. Dann wirkt eine Erregerkomponente
am Frequenzumformer nach wie vor im gleichen Sinn, z. B. auf die Wirkleistung bzw.
den Schlupf oder auf die Blindleistung. Da die Verdrehung der Spannung der Hintermaschine
vornehmlich auf die induktiven Spannungsabfälle zurückzuführen ist, wird sie hauptsächlich
durch Änderung der Wirkkomponente des Stromes der Asynchronmaschine hervorgerufen.
Die Verdrehung am in Abhängig-Frequenzumformer soll daher keit von der Wirkkomponente
des Primärstromes der Asynchronmaschine erfolgen. Wenn die Spannung der Hintermaschine
der Erregung über den Frequenzumformer in der Phasenlage wenigstens annähernd folgt,
soll der
Winkel s der Verdrehung am Frequenzumformer mit dem zuvor
genannten Winkel ö wenigstens annähernd übereinstimmen, d. h. tg e = etwa (J1p =
Wirkkomponente des Primärstromes der Asynchronmaschine).
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Der Erfindungsgedanke wird nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert. Die Fig. 1 stellt das Schema eines Netzkupplungsumformers dar.
Die Synchronmaschine S hängt an dem einen Netz, z. B. einen Einphasenbahnnetz UV
von 162/3 Hz. Die mit ihr gekuppelte Asynchronmaschine A liegt an dem anderen Netz,
z. B. einem Drehstromindustrienetz RST von 50 Hz. In Kaskade mit der Asynchronmaschine
A liegt die Kommutatorhintermaschine K, die z. B. als Scherbiusmaschine ausgebildet
ist. Deren Erregerwicklung eK wird von der Erregermaschine E gespeist, die eine
Scherbiusmaschine mit starker Kompoundwicklung cE sein kann und durch einen Motor
M angetrieben wird. Die Erregerwicklung eE der Erregermaschine E wird über einen
ohmschen Widerstand R vom Frequenzumformer F gespeist, der vorzugsweise kompensiert
ausgeführt wird, so daß ihm an seinen Schleifringen nur der Erregerstrom zugeführt
wird. Letzterer wird von zwei Doppelinduktionsreglern Dw und Db geliefert, die sekundär
in Serie und primär parallel geschaltet sind und vom Netz RST über den Transformator
T erregt werden. Die von den Doppelinduktionsreglern Dw und Db gelieferte Spannungssumme
ergibt eine Spannungskomponente von etwa gleicher Phasenlage und etwa proportionaler
Größe in der Scherbiusmaschine K, da der Charakter des Erregerkreises der Erregermaschine
E praktisch ohmisch ist und ferner deren Kompoundamperewindungen den Amperewindungen
der Erregerwicklung der Erregermaschine praktisch gleich sind. Zur Stabilisierung
kann die Scherbiusmaschine K noch eine Kompoundwicklung cK haben. Ihre Wirkung entspricht
einer künstlichen Vergrößerung des ohmschen Widerstandes im Sekundärkreis der Asynchronmaschine
und hat also keinen direkten Einfluß auf die beschriebene Phasenverschiebung der
Spannung der Scherbiusmaschine K. Sind die Spannungen der beiden Doppelinduktionsregler
Dw und Db um 90°el. gegeneinander verschoben, so kann man die Bürsten des Frequenzumformers
F so einstellen, daß der eine Doppelinduktionsregler Dw im wesentlichen auf die
Wirkleistung der Asynchronmaschine einwirkt und der andere Doppelinduktionsregler
Db im wesentlichen auf deren Blindleistung.
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Die Phasenlage der Spannung der Doppelinduktionsregler ist starr mit
derjenigen der Spannung des Netzes RST gekoppelt. Der Vektor vom Regler Dw z. B.
folgt also nicht der Verdrehung des Vektors der Scherbiusmaschine K mit der Änderung
der Durchgangsleistung der Umformergruppe. Infolgedessen beeinflußt der Regler Dw
auch die Blindleistung und umgekehrt der Regler Db auch die Wirkleistung. Diese
Beeinflussung kann aufgehoben oder vermindert werden, wenn die Spannung des Frequenzumformers
F mit der Spannung der Scherbiusmaschine K gedreht wird, was erfindungsgemäß durch
den Kompoundtransformator C automatisch erfolgen kann. Die Primärwicklung des Kompoundtransformators
C wird vom Primärstrom der Asynchronmaschine A durchflossen. Dadurch entsteht in
der Sekundärwicklung des Kompoundtransformators eine Spannung, die dem Primärstrom
der Asynchronmaschine proportional ist. Die Sekundärwicklung des Kompoundtransformatorswird
mit derjenigen Spannung, die die Doppelinduktionsregler speist, in Reihe geschaltet,
und zwar in einer solchen Phasenlage, daß die Spannung des Kompoundtransformators
bei Speisung seiner Primärwicklung mit Wattstrom wenigstens annähernd senkrecht
zu derjenigen Spannung steht, die die Doppelinduktionsregler speist. Bei motorischer
Belastung der Asynchronmaschine soll dadurch die totale, den Doppelinduktionsreglern
zugeführte Spannung nacheilend verdreht werden, und zwar vorzugsweise um einen Winkel
e, dessen tg e = etwa
ist. Bei dieser Verdrehung der Phasenlage der den Frequenzumformer zugeführten Spannungskomponenten
wirkt der Doppelinduktionsregler für Wirkleistung Dw praktisch nur noch auf die
Wirkleistung ein und der Doppelinduktionsregler für Blindleistung Db praktisch nur
noch auf die Blindleistung. Die Steuerung der Doppel induktionsregler erfolgt somit
in einwandfreier Weise, ohne daß sich die diese steuernden Regelorgane gegenseitig
stören.
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Die an dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 erläuterte Erfindung kann
sinngemäß auch auf andere ähnliche Schaltungen angewendet werden. Es können beispielsweise
die Doppelinduktionsregler auch in sogenannter »Stromschaltung« verwendet werden,
wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Die Doppelinduktionsregler Dw und Db werden hier
primär in Reihe geschaltet und über eine Drosselspule L gespeist, so daß ihr Primärstrom
konstant ist. Die Sekundärwicklungen der Doppelinduktionsregler werden parallel
geschaltet, wodurch der Frequenzumformer F und dementsprechend auch die Erregerwicklung
eK der Scherbiusmaschine K mit zwei zueinander senkrecht stehenden Stromkomponenten
versorgt wird, die jede für sich nach Größe und Vorzeichen eingestellt werden können.
Die Verdrehung des Frequenzumformerstromes muß bei dieser des Sekundärstromes des
Schaltung durch Kompoundtransformators C vorgenommen 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 Sekundärwicklung des
Kompoundtransformators C zwischen Transformator T und Drosselspule
L in Reihe geschaltet werden. Der Kompoundtransformator wird dann etwas größer.
Falls die Erregerleistung für den Frequenzumformer nicht ausreicht, muß noch eine
weitere Erregerstufe vorgesehen werden.
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Zu erwähnen wäre noch, daß der Kompoundtransformator C bei Parallelschaltung
seiner Sekundärwicklung eine enge Kupplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung
aufweisen muß; in ihm müssen dann die Ströme beider Wicklungen einander etwa annähernd
proportional sein. Bei der Serienschaltung nach Fig. 1 dagegen sollen nicht die
Ströme beider Wicklungen einander proportional sein, sondern die Sekundärspannung
dem Primärstrom. Die Kupplung muß dann lose sein, was durch die Erhöhung des Magnetisierungsstromes
z. B. durch Trennfugen im Eisenblechpaket erreicht werden kann. Statt über die 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. Es brauchen dabei nicht immer zwei aufeinander senkrecht stehende
Komponenten bereitgestellt zu werden. Auch Schaltungen mit einer einzigen Regelgröße
sind denkbar, wobei das beschriebene Prinzip der Erfindung mit Vorteil angewendet
werden kann. Zwei Komponenten können z. B. durch verschiedene, gegebenenfalls bewegliche
Bürstensätze am Frequenzumformer F abgegriffen werden oder durch Abgriff einer einzigen
Mehrphasenspannung am Frequenzumformer und durch verschiedenartige Speisung einer
oder mehrerer Erregerwicklungen der Scherbiusmaschine K. In allen diesen Fällen
kann die Erfindung sinngemäß eingesetzt werden und ergibt dann den beschriebenen
Vorteil.
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Denkbar ist auch eine Erregung des Frequenzumformers F über einen
Synchron-Synchron-Umformer. Von
diesem läuft dann die eine Synchronmaschine
als Motor, gespeist vom Primärnetz der Asynchronmaschine. Die zweite liefert als
Generator den Erregerstrom für den Frequenzumformer; sie hat zu diesem Zweck zwei
um 90° elektrisch gegeneinander versetzte Feldwicklungen im Rotor, so daß die erzeugte
Spannung analog aus zwei Komponenten besteht. Auch bei diesem Synchron-Synchron-Umformer
kann die Erfindung angewandt werden. Man wird hier mit Vorteil zu der Spannung,
die den Synchronmotor speist, diejenige der Sekundärwicklung des Kompoundtransformators
in Serie schalten.
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Die Drehung am Frequenzumformer F kann auch auf andere an sich bekannte
Weise erfolgen, z. B. durch Verdrehung der auf seinem Kommutator schleifenden Bürsten.
Die Verdrehung der Bürstenbrücke kann z. B. in Abhängigkeit vom Primärstrom der
Asynchronmaschine A oder von dessen Wirkkomponente bzw. von der Leistung an den
Primärklemmen der Asynchronmaschine gesteuert werden.
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Ferner ist es möglich, den Erregerkreis des Frequenzumformers F von
der Sekundärwicklung eines einfachen Induktionsreglers abzunehmen, so daß die Drehung
des Frequenzumformers bzw. seiner Spannung durch Steuerung des Induktionsreglers
bewirkt werden kann. Man kann aber auch Induktionsregler auf andere Art zur beabsichtigten
Verdrehung am Frequenzumformer heranziehen. Man kann z. B. den Induktionsregler
so schalten, daß er eine Spannung liefert, die zur Spannungsquelle des Frequenzumformers
in Reihe geschaltet ist, bzw. den Frequenzumformer so schalten, daß er eine Stromkomponente
liefert, die dem den Frequenzumformer speisenden Strom überlagert wird.
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Die erfindungsgemäße Verdrehung am Frequenzumformer ist selbstverständlich
nicht auf die beschriebenen Einrichtungen und Schaltungen beschränkt, sondern es
bestehen noch weitere Möglichkeiten.