-
Einrichtung zum Steuern oder Regeln der Wirk-und Blindleistungsaufnahme
und -abgabe von Asynchronmotoren Die Erfindung betrifft eine Steuer- oder Regeleinrichtung
für die Wirk- und Blindleistungsaufnahme und -ab gabe von Asynchronmotoren durch
eine Regel- bzw. Steuergröße, welche unter Anwendung elektronischer Mittel über
eine im Läuferstromkreis des Asynchronmotors liegende Verstärkereinrichtung die
Schlupffrequenz und den Rotorstrom nach Betrag und Phase beeinfiußt.
-
Bei Asynchronmotoren stellt sich der Schlupf entsprechend der Belastung
von selbst ein. Es entsteht ein Schlupf, der proportional dieser Belastung ist.
Es gibt aber nun Fälle, in denen nicht durch die Belastung, sondern gesteuert die
Blind- und Wirkleistung bestimmt werden soll. Dies ist besonders bei Netzkupplungen
zwischen asynchronen Netzen, beispielsweise zwischen dem Landnetz und dem Bahnnetz,
wünschenswert. Hierbei können die Netze ihre Frequenz unabhängig von der Leistung
ändern. In diesem Fall wird die Leistungsübergabe von einem Netz zum anderen von
der Steuerung des Asynchronmotors aufgezwungen, wobei der Schlupf der Frequenzdifferenz
zwischen den Netzen entsprechen muß.
-
Zu diesem Zweck hat man für die Speisung des Rotors der Asynchronmaschine
eine Spannung erzeugt, welche die Schlupffrequenz über einen Frequenzwandler mit
einer der Verteilung von Blind-und Wirkleistung entsprechenden Phasenlage benutzt.
Diese Spannung wird einer zusätzlichen Maschine, der sogenannten Scherbiusmaschine,
die als Leistungsverstärker dient, zugeführt. Dadurch wird bei einer vorgeschriebenen
Schlupffrequenz die übergabeleistung willkürlich bestimmt. Der Rotor der Asynchronmaschine
erhält dann einen von der Steuer- oder Regeleinrichtung vorgeschriebenen Strom,
welcher einer bestimmten Leistung entspricht. Die Wirk- und Blindkomponente dieses
Stromes entspricht dann der Wirk- und Blindeinstellung des Motors.
-
Diese Scherbiusmaschine besitzt im Läufer und Ständer die gleiche
Frequenz und überträgt je nach der Höhe der zugeführten Spannung (wie bei einem
Gleichstrommotor) eine verschieden hohe Leistung. Man hat es dadurch in der Hand,
die Leistung unabhängig vom Schlupf regeln zu können. Je nach der Richtung des Stromes
kann die Leistung in beiden Richtungen vorgeschrieben werden. Elektronische Mittel
konnten zur Umformung der Meßgrößen mit Erfolg verwendet werden. Zunächst verwendete
man Doppeldrehregler, von denen jeder einzelne Spannungen erzeugte, welche entweder
der Wirk- oder der Blindleistung entsprachen. Diese beiden Komponenten wurden zu
einer Steuergröße zusammengesetzt. ,Amplitude und Phasenlage dieser Steuergröße
bestimmten dann die Blind- und Wirkleistungsverteilung. Mit Hilfe der Elektronik
war es möglich, nur noch einen Steuergenerator zu verwenden. Dieser besitzt zwei
Erregerwicklungen, denen eine aus Blind-bzw. Wirkstrom gewonnene und elektronisch
umgewandelte Steuergröße zugeführt wird. Bei der bisherigen Ausführung sind eine
Synchronmaschine für die Erzeugung der Steuerspannung und ein Frequenzwandler sowie
die Scherbiusmaschine mit zugehöriger Erregermaschine und die der i:ibertragung
dienenden Maschinen als bewegliche Glieder erforderlich.
-
Die große Anzahl von drehenden Maschinen und Teilen ist trotz der
an sich guten und zuverlässigen Betriebsweise infolge des großen Raumbedarfes und
der erforderlichen Wartung als Nachteil anzusehen.
-
Für die Regelung der Drehzahl und. des Drehmomentes von umrichtergesteuerten
Synchronmotoren sind bereits elektronische Anordnungen bekanntgeworden, welche ohne
drehenden Teile auskommen. Diese arbeiten mit der Verschiebung des Zündwinkels der
Stromrichtergefäße in bekannter Weise. Der Rotor solcher Asynchronmaschinen wird
auch durch Umrichterbrückenschaltungen gespeist, die ebenfalls entsprechend dem
erforderlichen Schlupf der Asynchronmaschine so gesteuert werden, daß sie die Drehzahl
und
das Drehmoment durch Verändern des Rotorstromes nach Betrag und Phase regeln können.
-
Zur Verbesserung des Leistungsfaktors ist es im Rahmen derartiger
Anordnungen, welche ohne drehende Teile auskommen, bekanntgeworden, sogenannte Nullanoden
oder zusätzliche regelbare Transformatoren, welche die Steuerung der Stromrichterelemente
beeinflussen, sowie die Halbwegsteuerung zu verwenden.
-
Erfindungsgemäß wird in Verbindung mit einer Einrichtung zum Steuern
oder Regeln der Wirk- und Blindleistungsaufnahme und -abgabe vonAsynchronmotoren
der eingangs geschilderten Art vorgeschlagen, daß ein eingangsseitig an netzfrequenter
Wechselspannung liegender Modulator zur Wirkleistungsregelung oder -steuereng und
ein eingangsseitig an einer um 90° versetzten, netzfrequenten Wechselspannung liegender
Modulator zur Blindleistungsregelung oder -steuereng vorgesehen sind, die mit einer
Steuerspannung in Form einer dreieckförmigen höherfrequenten Wechselspannung jeweils
in überlagerung mit der als Gleichspannung abgebildeten Regel- oder Steuergröße
für die Wirk- bzw. Blindleistung beaufschlagt sind, und daß die Summe der der jeweiligen
Regel- oder Steuergröße proportionalen netzfrequenten Ausgangswechselspannungen
beider Modulatoren jedem von drei Ringmodulatoren eines die Verstärkereinrichtung
im Läuferstromkreis steuernden Frequenzwandlers zugeführt ist, dessen Ringmodulatoren
von den drei Phasenspannungen eines Drehstromsystems mit einer der Drehzahl des
Asynchronmotors entsprechenden Frequenz im Sinn der Erzeugung eines schlupffrequenter,
Drehstromsystems gesteuert sind.
-
In der F i g. 1 ist ein Beispiel des Erfindungsgegenstandes genauer
beschrieben. In der F i g. 2 ist die Wirkungsweise des Modulators und in der F i
g. 3 die Steuerung durch die dreieckförmige Spannung genauer dargestellt.
-
In der F i g. 1 ist mit 1 das eine Netz, in diesem Fall ein
Drehstromnetz mit Nulleiter, und mit 2 das andere Netz, ein zweiphasiges Bahnnetz,
bezeichnet. Am Netz 2 ist die Synchronmaschine 3, am Netz 1 die Asynchronmaschine
4 angeschlossen. Beide Maschinen sind miteinander gekuppelt. Die Frequenz
der von der Synchronmaschine erzeugten Spannung entspricht dann der Drehzahl der
Asynchronmaschine, welche einen bestimmten Schlupf besitzt. Dieser Schlupf ist bestimmt
aus der Differenz der Frequenzen beider Netze unter Berücksichtigung der verschiedenen
Polzahlen. Außerdem ist an der Achse noch die Maschine 5 angeschlossen, welche die
Drehzahl bzw. Frequenz feststellt und an die Regeleinrichtung weitergibt. Der Läufer
der Asynchronmaschine ist herausgeführt und mit dem Umrichtersatz 6 verbunden. Dieser
beeinflußt den Rotorstrom. Hierbei ist es wie bei einer Scherbiusmaschine möglich,
den Strom im Läufer der Phase und Größe nach zu bestimmen. Dadurch ist es möglich,
die Leistung der Asynchronmaschine und damit die Aufnahme oder Abgabe der Leistung
beider Netze unabhängig vom Schlupf zu beeinflussen. Man kann also durch die Steuerung
der Umrichteranordnung 6 die Leistung der Asynchronmaschine in bestimmter Weise
vorschreiben. Die Änderung der Übergabeleistung wird durch die Höhe der an der Umrichteranordnung
entstehenden Spannungen und ihre Phase festgelegt. Diese dem Läufer zugeführte Spannung
ist mit U, bezeichnet. Sie muß also jede Amplitude und Phasenlage annehmen können.
Dies läßt sich erreichen, indem die Spannung UL aus zwei aufeinander senkrecht stehenden
Komponenten zusammengesetzt wird, deren Amplitude einzeln geändert werden kann.
Diese beiden Komponenten sind mit US p und UsQ bezeichnet. Die Frequenz von UL ist
gleich der Schlupffrequenz des Asynchronmotors, welche je nach dem Frequenzunterschied
der beiden Netze unter Berücksichtigung der Polzahl verschieden sein kann. Es kann
also unabhängig von diesem Schlupf wie bei der Scherbiusmaschine die Übergabeleistung
in beiden Richtungen eingestellt werden.
-
Die beiden Komponenten U., und U., werden nun auf folgende
Weise gewonnen: In der Zuleitung zum Asynchronmotor liegen zwei Stromwandler bzw.
zwei Stromwandlerwicklungen 7 und 8, deren Strom in bekannter Weise in eine
Spannung U" und U1 n umgesetzt und je einem Modulator 9 und 10 zugeführt
werden. Diese Modulatoren erhalten ferner eine Steuerspannung, welche aus der Netzspannung
selbst gewonnen wird, und zwar wird dem Modulator 9 als Steuerspannung UST die zur
dem Strom entsprechenden Phasenspannung senkrechte Spannung, dem Modulator
10 die dem Strom entsprechende Spannung UR selbst zugeführt. Am Ausgang dieser
Modulatoren, welche in bekannter Weise Ringmodulatoren oder Multiplikatoren sein
können, erscheinen Gleichspannungen U_,p und U", welche nach Glätteng (22, 23) der
tatsächlichen Wirk- bzw. Blindleistung proportional sind. Diese Spannungen, welche
also den Ist-Werten der Wirk-und Blindleistung proportional sind, werden nun mit
den verlangten Soll-Werten U".11 und U"".11 in den Verstärkern 11 und 12 verglichen.
Ihre Differenz wird als Steuer- bzw. Regelgröße U., und U., den Überlagerungsgliedern
13 und 14 zugeführt. Dort werden diese Größen mit einer höher frequenten Wechselspannung,
beispielsweise Dreieckspannung Uo,, überlagert, welche in dem Hilfsgenerator 15
elektronisch erzeugt wird. Diese mit der Regelgröße überlagerte Hilfsspannung wird
nun als Steuerspannung U,4 P und U4" für die weiteren Modulatoren 16 und
17 benutzt. Am Eingang dieser Modulatoren liegen die gleichen aufeinander senkrechten
Spannungen, wie bei den Modulatoren 9 und 10, also UST und UR. Diese
Steuerung hat zur Folge, daß am Ausgang eine angenäherte Sinusspannung erscheint,
deren Amplitude proportional der Differenz zwischen Soll- und Ist-Wert der Wirk-
bzw. Blindleistung ist. Die Frequenz ist gleich der Frequenz desjenigen Netzes,
an das die Asynchronmaschine angeschlossen ist.
-
Die Frequenz dieser Steuergrößen muß nun umgewandelt werden. Sie müssen
die Schlupffrequenz erhalten, da sie ja dem Läufer der Asynchronmaschine zugeführt
werden sollen. Dies geschieht mit einem Frequenzwandler, der aus den den Phasen
entsprechenden einzelnen Gliedern 18, 1.9 und 20 besteht. Jedes dieser
drei Glieder erhält am Eingang die Summe der beiden Teilspannungen U.., und
US Q. Sie werden durch eine Spannung mit Rotorfrequenz gesteuert, welche in dem
Synchrongenerator 5 erzeugt und über den Transformator 21 weitergegeben wird.
Durch diese Steuerung entsteht am Ausgang eine mit der Schlupffrequenz sich ändernde
und den drei Phasen entsprechende Steuerspannung UStR, Usts, UstT. Diese Spannungen
steuern nun die im einzelnen nicht dargestellte Umrichteranordnung 6 der Phase und
Größe
nach. Dadurch entsteht die Spannung UL, die in den Läufer
der Asynchronmaschine eingeführt wird und damit die Blind- und Wirkleistung der
Maschine regelt.
-
Im einzelnen werden nun noch Beispiele für die Ausführung und Wirkungsweise
der verschiedenen Elemente angegeben. Die Modulatoren seien als Ringmodulatoren
ausgeführt. Sie besitzen die Schaltung nach F i g. 2 a. Die Eingangsspannung sei
UE, welche also bei dem Modulator 9 der Spannung U, Q entsprechen würde. Diese Spannung
wird an den Widerstand 24 gegeben. Die Ausgangsspannung wird an dem Widerstand 25
abgenommen. Die beiden Widerstände sind durch die Dioden 26 bis 29 miteinander verbunden.
Außerdem wird eine Steuerspannung US, an den übertrager 30 angelegt. Diese
Steuerspannung entspricht beim Modulator 9 der Spannung UST. Sie gibt ihr Potential
an die Widerstände 24 und 25. Wird nun beispielsweise der Widerstand 24 durch die
Steuerspannung US, positiv, so werden damit die Dioden 26 und 29 leitend, und die
Ausgangsspannung U,1 ist in diesem Fall gleich der Eingangsspannung Ur..
Ist aber die Steuerspannung US, entgegengesetzt gepolt, so werden die Dioden
27 und 28 freigegeben, und am Ausgang erscheint dann die entgegengesetzte Spannung
wie am Eingang. Diese Verhältnisse sind in der F i g. 2b dargestellt. Solange die
Steuerspannung Ust positiv ist, ist Ur und U,; gleich, sobald aber Ust negativ wird,
dreht sich die Richtung von UA gegenüber UE um. Dadurch entsteht eine wellige Gleichspannung,
die geglättet den Wert UÄ annimmt. Die Glätteng erfolgt in den Gliedern 22 und 23
in der F i g. 1.
-
Ferner sei die Bedeutung der Dreieckspannung näher erläutert: Die
Differenz von Soll- und Ist-Wert wird dem überlagerungsglied 13 bzw. 14 zugeführt.
Dort werden die zugeführten Soll- und Ist-Werte mit der in bekannter Weise erzeugten
Dreieckspannung Uo,. überlagert. Hierbei entsteht eine um diese Differenz verschobene
Dreieckspannung, wie F i g. 3 zeigt. Diese hat dann beispielsweise die angegebene
Form. Dort ist U4 dargestellt, das also entweder U, q oder U4" sein kann. Diese
wirken auf einen weiteren, wie in der F i g. 2 a geschalteten Modulator als Steuerspannung.
Die zugeführte Spannung UST oder UR erhält dadurch die Form, wie im unteren Teil
der F i g. 3 dargestellt ist. Es entsteht eine angenäherte Sinusform mit der Frequenz
des Netzes, an dem die Asynchronmaschine angeschlossen ist.
-
Auch der Frequenzwandler besteht aus Modulatoren, welche von den einzelnen
Phasen der Spannung mit um die Schlupffrequenz verringerter Frequenz gespeist werden.
Hierbei entstehen auf ähnliche Weise Spannungen, welche die Summe der einzelnen
Frequenzen und ihre Differenz besitzen. Die Differenzfrequenz entspricht der Schlupffrequenz.
Diese wird in Filtern ausgesiebt und dann zur Steuerung der Umrichtergruppe in bekannter
Weise benutzt.
-
Der Generator 5 besitzt die Drehzahl des übergabeaggregates. Er kann
einen permanenten Magneten als Erregerkreis besitzen. Die in ihm entstehende Frequenz
ist dann der Drehzahl, also der um die Schlupffrequenz verminderten Netzfrequenz,
proportional.
-
Man kann nun noch eine Rückführungseinrichtung in bekannter Weise
vorsehen, so daß ein Regelkreis entsteht, welcher die eingestellte Sollgröße prüft.
Dieser ist in F i g. 1 durch die Einrichtung 31 gestrichelt angedeutet. Er führt
den im Rotor fließenden Strom der Größe, Phase und Frequenz nach in den Steuerkreis
der Umrichter zurück.
-
Es ist nun nicht unbedingt nötig, die Umrichtereinrichtung vorzusehen.
Die Steuerung, also die Er-,zeugung der Steuerspannung einschließlich des Frequenzwandlers,
können auch an die bereits beschriebene bekannte Anordnung mit Scherbiusmaschine
gegeben werden. Dann muß ein Verstärker zwischen den Modulatoren 18, 19, 20 und
der durch die Scherbiusmaschine ersetzten Umrichteranordnung 6 vorgesehen werden,
damit die Erregerleistung der Maschine aufgebracht werden kann. Diese Einrichtung
hat den Vorteil, die bewährte Scherbiusmaschine weiterhin verwenden zu können. Sie
nimmt keinen erheblichen Platz ein, da sie an das Umformeraggregat angekuppelt werden
kann.
-
Durch die beschriebene Anordnung, bei welcher fast alle Elemente aus
elektronischen Mitteln aufgebaut sind, also auch die Frequenzumformung statisch
gemacht wird, wird eine raumsparende Einrichtung erhalten, welche bei gleicher Zuverlässigkeit
wie die bekannten Anordnungen ohne dauernde überwachung betrieben werden kann.