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Verfahren zum Anlassen von Asynchronmaschinen mit Schlupfstromerregung
Es ist bekannt, Asynchronmaschinen, insbesondere größerer Leistung, zur Verringerung
der Läuferstillstandspannung und des Anfahrstromes mit verringerter Spannung anzulassen.
Dies geschieht z. B. durch eine Stern-Dreieck-Umschaltung der Ständerwicklung der
Maschine oder bei Vorhandensein eines Vorderumspanners durch eine Dreieck-Stern-Umschaltung
des Vorderumspanners. Die Umschaltung von Teilspannung auf volle Spannung ist mit
einer heftigen elektrischen oder mechanischen Beanspruchung der Asynchronmaschine
verbunden, da das Feld der Maschine zuerst verschwinden und dann wieder völlig neu
aufgebaut werden muß.
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Um den beim überschalten der Maschine auftretenden Stromstoß zu mindern,
ist ein Verfahren zum Anlassen von Asynchronmaschinen mit Stromwender-Schlupfmaschinen,
die mit Teilspannung angelassen werden, bekannt, bei dem vor dem Zuschalten auf
die volle Netzspannung die Asynchronmaschine so erregt wird, daß ihre Spannung etwa
der Nennspannung entspricht. Mit diesem Verfahren wird aber keine genaue Phasengleichheit
erzielt. Außerdem müssen bei dem Anlaßumspanner auch die Phasen in einem besonderen
Verhältnis gemischt werden, um der Teilspannung einen bestimmten Voreilwinkel gegenüber
der vollen Netzspannung zu geben und dadurch den Fehlwinkel zwischen Netzspannung
und Maschinenspannung, der nach dem Abschalten infolge der Zunahme des Schlupfes
entsteht, ungefähr auszugleichen.
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Bei einem anderen bekannten Verfahren zum Anlassen von Asynchronmaschinen,
die mit netzerregten Kommutatormaschinen in Kaskade geschaltet sind, wird dem Läufer
der Asynchronmaschine bei stromloser Ständerwicklung ein Strom einstellbarer Größe
und Phasenlage zugeführt. Dadurch kann jedoch keine vollständige Übereinstimmung
zwischen der Maschinenspannung und der Netzspannung erzielt werden, da man bei einer
konstanten Schleifringspannung günstigstenfalls nur für einen ganz bestimmten Schlupf
Gleichheit von Richtung und Betrag der beiden Spannungen erreicht, die jedoch durch
die Änderung des Schlupfes jeweils wieder auseinanderlaufen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anlassen von Asynchronmaschinen
mit Schlupfstromerregung, die mittelbar, z. B. mit Teilspannung, angelassen werden,
dann von der speisenden Spannung getrennt und nach Herstellung der zumindest angenäherten
Spannungs- und Phasengleichheit der Asynchronmaschine zu dem Netz durch Einstellung
der Schlupferregung über eine ständererregte Schlupfmaschine zur Drehzahl- und cos
9p-Steuerung auf die volle Netzspannung geschaltet werden. Gemäß der Erfindung ist
vor dem Zuschalten der Asynchronmaschine auf die volle Spannung des Netzes der cos
(p-Wandler auf cos cp = 1 bei Leerlauf eingestellt, und die Drehzahlerregung wird
in Richtung einer Drehzahlsenkung in dem Maß betätigt, daß der Phasenwinkel zwischen
Netzspannung und Maschinenspannung auch bei veränderlichen Schlupfwerten zu Null
wird. Durch dieses Verfahren wird ein völlig stoßfreies Zuschalten der Maschine
erreicht.
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Vor dem Zuschalten der Asynchronmaschine auf die volle Netzspannung
besteht also die den Schleifringen der Asynchronmaschine zugeführte Spannung aus
zwei senkrecht aufeinander stehenden Anteilen, nämlich einem konstanten Anteil,
der der Netzspannung um 900 nacheilt und den ohmschen Spannungsabfall deckt, den
der für das volle Feld erforderliche Läuferstrom in der Läuferwicklung verursacht,
und einem Anteil, der in Phase mit der Netzspannung und dem Feld und der Schlupffrequenz
verhältnisgleich ist. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung werden beide Anteile
getrennt gesteuert, nämlich der Anteil für den ohmschen Spannungsabfall durch den
cos W-Wandler und der Anteil für die Schlupfspannung durch den Drehzahlwandler.
Dabei wird gemäß der Erfindung die Maschine genauso gesteuert, als wäre sie schon
auf das Netz geschaltet und müßte mit cos (p = 1 bei veränderlichem Schlupf
am Netz gefahren werden. Dadurch stimmen bei richtiger Steuerung durch die beiden
Wandler, auch wenn die Maschine von dem Netz getrennt ist, der Zeiger der Maschinenspannung
nach Betrag und Phase stets mit dem Zeiger der Netzspannung überein. Ein etwa auftretender
Fehlwinkel zwischen den Zeigern der Netzspannung und der Maschinenspannung kann
leicht festgestellt werden, z. B. durch ein Synchronoskop, und dann durch eine
Nachführung
des Drehzahlwandlers beseitigt werden. Wesentlich für das Verfahren gemäß der Erfindung
ist es also, daß durch die Steuerung des Drehzahl wandlers die Maschinenspannung
und Netzspannung auch bei veränderlichen Schlupfwerten nach Betrag und Richtung
übereinstimmen. Das Zuschalten der Maschine auf die volle Netzspannung kann daher
völlig stoßfrei erfolgen, so daß die schädlichen Beanspruchungen der Maschine, wie
sie bei den bekannten Verfahren infolge der Stromstöße auftreten, vermieden werden.
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Es ist zwar bekannt, Asynchronmaschinen, die von einer Kraftmaschine
oder von einem besonderen Anwurfmotor hochgefahren werden, mit zwei senkrecht aufeinanderstehenden
Spannungsteilen zu erregen, die durch einen Drehzahlwandler und einen cos cp-Wandler
beeinfiußt werden. Demgegenüber zeigt die vorliegende Erfindung, wie die Asynchronmaschine
auch ohne Kraftmaschine oder Anwurfmotor stoßfrei auf die volle Netzspannung geschaltet
werden kann. Man kann die Asynchronmaschine mit Teilspannung hochfahren und dann
von der speisenden Spannung trennen und sie nach Herstellung von Spannungs- und
Phasengleichheit der Asynchronmaschine zu dem Netz stoßfrei auf die volle Netzspannung
schalten.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand des in der F i g. 1 dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt einen Synchron-Asynchron-Netzkupplungsumformer mit
der Einphasen-Synchronmaschine 1 und der Asynchronmaschine 2, die durch die Schlupfmaschine
(Siemens-Lydall- oder Scherbius-Maschine) 3, den Erregerfrequenzwandler
4, die Drosselspule 5, den Drehzahlwandler 6 und den cos T-Wandler 7 in bekannter
Weise gesteuert wird. Die Asynchronmasehine 2 ist über den Vorderumspanner 8 auf
das Hochspannungsnetz 9 .geschaltet. Sie kann dabei über den Schalter
10 auf die wahlweise im Dreieck oder Stern verkettete Zweitwicklung des Vorderumspanners
8 geschaltet werden. Mit Hilfe des zweiten Schalters 11 kann die Asynchronmaschine
2 von der Zweitwicklung des Vorderumspanners 8 getrennt werden, während das Erregerzubehör
weiter mit ihr verbunden sein kann. Mit dem Kurzschlußschalter 12 kann der Erregerfrequenzwandler
4 stromlos gemacht werden.
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Die Anordnung wirkt folgendermaßen: Beim Anfahren der Asynchronmaschine
2 ist die Zweitwicklung des Vorderumspanners 8 durch den Schalter 10 im Dreieck
geschaltet und der Kurzschlußschalter 12 eingelegt, so daß die Schlupfstromerregung
der Asynchronmaschine »Null« ist. Wird der Schalter 11
eingelegt, so läuft
die Asynchronmaschine 2 mit Hilfe der nicht dargestellten Anfahrwiderstände mit
Teilspannung an. Wenn die Asynchronmaschine 2
ihre Nenndrehzahl erreicht hat,
wird zunächst der Schalter 11 geöffnet und dann die Zweitwicklung des Vorderumspanners
8 durch den Schalter 10 von Dreieck auf Stern, d. h. auf die volle Spannung umgeschaltet.
Hierauf wird durch den Schalter 12 die Erregung der Asynchronmaschine 2 freigegeben.
Der cos 99-Wandler 7 wurde vorher schon so eingestellt, daß die durch ihn in der
Asynchronmaschine 2 bei synchroner Drehzahl erzeugte Spannung nach Betrag und Richtung
gleich der Spannung des Vorderumspanners 8 ist. Bei Abweichung von der synchronen
Drehzahl weicht auch die Ständerspannung der Asynchronmaschine 2 nach Betrag
und Richtung von der bei Synchronismus ab. Durch den Drehzahlwandler 6 wird jedoch
die Gleichheit der Spannung wiederhergestellt, und der Schalter 11 kann stoßfrei
eingelegt werden. Die Asynchronmaschine 2 ist nun bei voller Spannung am Netz und
kann Last übernehmen.
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In F i g. 2 ist am Zeigerbild der Spannungen und Ströme dargestellt,
wie sich das Zuschalten vollzieht. Es bezeichnet UN die Netzspannung, U1
die Ständerspannung der Asynchronmaschine 2, U2 die von der Schlupfmaschine 3 den
Schleifringen der Asynchronmaschine 2 zugeführte Spannung, J" den Sohleifringstrom,
der bei Leerlauf vorwiegend Erregerstrom ist, und s den Schlupf. Uz und J,, sind
auf Netzfrequenz bezogen. J, eilt der zugehörigen Ständerspannung Ui um 90° nach.
Durch den cos (p-Wandler wird den Schleifringen der Asynchronmaschine 2 die Spannung
U2 (COS,,-) = oe zugeführt. Beim Schlupf »Null« hat diese Spannung in der Läuferwicklung
der Asynchronmaschine 2 einen Strom J"" = o) zur Folge, der durch den Zeiger
ob gegeben ist. Die zugehörige Ständerspannung UI = oa ist größen-
und phasengleich mit UN, so daß sie in diesem Zustand stoßfrei zugeschaltet
werden könnte. Da die Asynchronmaschine 2 jedoch während des Umschaltens auf Stern
vom Netz getrennt ist, müssen die Verluste des Maschinensatzes aus den umlaufenden
Massen gedeckt werden, d. h., die Drehzahl nimmt ab, und der Schlupf nimmt zu. Bei
im wesentlichen gleichbleibender Spannung U2 """ ) würde der Strom J, in
die Lage ob, (s = 0,1%), ob, (s = 0,5%) usw. kommen, und damit würde die Ständerspannung
von oa nach oai, oa2 usw. wandern, d. h., die Bedingungen für das Parallelschalten
würden immer schlechter werden. Betätigt man nun aber den Drehzahlwandler 6 im Sinn
tieferer Drehzahl, so fügt sich zu U2""",) unter 90° die Spannung U2 ""), so daß
die Schleifringspannung U2 der Reihe nach in die Lage oel (s = 0,1%), 0c2 (s = 0,5%)
USW-kommt, d. h., unter der Einwirkung des Drehzahlwandlers 6 wird die Maschinenspannung
U1 in die für das Parallelschalten mit UN richtige Lage und Größe zurückgedreht,
so daß nunmehr stoßfrei parallel geschaltet werden kann. Man kann auch, solange
.die Asynchronmaschine 2 mit schwachem Feld am Netz liegt, die Erregung freigeben
und die Asynehronmaschine 2 durch den Drehzahlwandler 6 und den cos p Wandler in
den übersynchronen Bereich, z. B. bis an die Grenze des Drehzahlbereiches, hinaufsteuern.
Wenn man jetzt die Maschine durch den Schalter 11 vom Netz trennt und die Umschaltung
vornimmt, steht für das Umschalten der ganze über- und untersynchrone Drehzahlbereich
zur Verfügung, d. h. ein längerer Zeitraum, während die Drehzahl der spannungslosen
Maschine absinkt. Auch hier wird die Phasengleichheit der beiden Spannungen durch
den Drehzahlwandler 6 hergestellt.
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Das Anlaßverfahren gemäß der Erfindung läßt sich auch bei Netzkupplungsumformern
und Drehstromregelsätzen mit anderer Schaltung des Erregerkreises, z. B. unter Verwendung
von Erregerumformern, mit gleich gutem Erfolg verwirklichen. Ebenso läßt es sich
ausführen, wenn kein Vorderumspanner vorhanden ist und die Asynchronmaschine durch
Stern-Dreieck-Umschaltung ihrer Ständerwicklung angelassen wird.
Das
Synchronisieren in dem Anlaßverfahren gemäß der Erfindung unterscheidet sich von
dem Synchronisieren von Synchronmaschinen dadurch, daß bei der Asynchronmaschine
die mechanische Frequenz übereinstimmt, weil die Maschine mit Netzfrequenz erregt
wird. Es müssen lediglich die beiden Spannungen nach Betrag und Richtung zur Deckung
gebracht (synchronisiert) werden.