DE218052C - - Google Patents

Description

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KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

■KLASSE 21Λ GRUPPE

ALEXANDER HEYLAND in BRÜSSEL Schaltung von Wechselstrom-Gleichstrom-Umformern. Patentiert im Deutschen Reiche vom 22. September 1908 ab.

Bekannt sind in Wechselstromanlagen die sogenannten Wechselstrom-Gleichstrom-Schwungradumformer, welche aus einem asynchronen Wechselstrommotor, einer Gleichstrommaschine und einem größeren Schwungrade bestehen und in Betrieben mit sehr stark schwankendem Kraftbedarf, wie ' Förderanlagen, Walzwerken u. dgl., zur Erzielung von Belastungsausgleichen in der Weise Verwendung finden,

ίο daß als Betriebsmotor, z. B. Förder- oder Walzwerksmotor, ein Gleichstrommotor benutzt" wird, welcher an die Sekundärgleichstromseite dieses Umformers angeschlossen ist, während der Wechselstrommotor des Umformers am Netze liegt. Nach dem Ilgner-System geschieht die Regulierung eines solchen Schwungradumformers in der Weise, daß in den Sekundärstromkreis des Wechselstrommotors ein Schlupfwiderstand eingeschaltet wird, welcher selbsttätig in Abhängigkeit von dem dem Netze entnommenen Wechselstrome so reguliert wird, daß der Umformer und das Schwungrad mehr oder weniger stark schlüpft und bei zunehmender Belastung in seiner Tourenzahl abfällt, so daß die vom Schwungrad an die Gleichstrommaschine abgegebene lebendige Energie sich zu der dem Netze entnommenen Energie addiert, bei abnehmender Belastung oder während der Arbeitspausen hingegen in seiner Tourenzahl zunimmt, so daß die dem Netze entnommene Energie dem Schwungrade zugeführt wird.

Derartige Schwungradumformer fin'den bekanntlich mit Vorteil Verwendung in Anlagen mit knapp bemessenen Zentralstationen oder auch mit weniger gut regulierenden Antriebsmaschinen in der Zentrale, wie Gasmotorantrieb u. dgl., in denen die mittlere Belastung auch während einer kurzen Zeitdauer nicht überschritten werden darf.

Die Nachteile dieser Schwungradumformeranlagen andererseits bestehen bekanntlich hauptsächlich darin, daß sie sehr groß werden, und daß infolge der dreifachen Energieum-Setzung sowie auch infolge der Schlupfverluste ihr Wirkungsgrad niedrig liegt; daß ferner, um die Schlupfverluste nicht zu groß zu machen und auch um die Gleichstrommaschine des Umformers bei ihrer maximalen Leistung gut auszunutzen, der Umformer nicht mit zu großen Tourenvariationen arbeiten darf, und infolgedessen das Schwungrad sehr groß wird. Ein anderer Nachteil ist der, daß es überhaupt Schwierigkeiten bietet, die Stromentnahme aus dem Netze dauernd auf annähernd konstanter Höhe zu halten. Wird z. B. beim Antrieb einer Fördermaschine die programmäßige Förderpause nur um wenige Momente überschritten, so steigt die Tourenzahl des Umformermotors auf Synchronismus und die Stromentnahme fällt dann plötzlich auf Null, um im nächsten Moment bei der nächsten Förderung wieder auf ihren vollen Wert anzusteigen. Dieses ruft dann Spannungsstöße in der Zentrale hervor, die auf keine Weise zu vermeiden sind. Hier kommt noch hinzu, daß der Wechselstrommotor ein Asynchronmotor ist, der seinen Magnetisierungsstrom dem Netze entnimmt und hierdurch das Netz und die Zentrale mit größeren wattlosen Strömen belastet.

Bekannt sind zweitens andere Regulierschaltungen und Getriebe für Wechselstrommotoren, die sogenannten erweiterten Kaskadenschaltungen, welche den Zweck haben, in derartigen Betrieben mit schwankendem Kraftbedarf und variabler Tourenzahl, wie Förderanlagen, Walzwerken u. dgl., den Betriebsmotor direkt verlustlos zu regulieren; hierbei aber nicht die Stromentnahme aus dem Netze

ίο dauernd kanstant zu halten, sondern der Belastungskurve des dem - Netze entnommenen " Stromes nur einen abgeflachten, allmählich zu- und abnehmenden, im übrigen aber der Belastung sich anpassenden Verlauf zu geben, gleichzeitig aber, bei entsprechender Ausführung infolge einer eigenartigen elektrischen Selbstregulierung des Getriebes, "auf die Netzspannung selbst regulierend einzuwirken, die Spannungsschwankungen, welche den -Be--

ao lastungsschwankungen entsprechen würden, zu kompensieren und die Netzspannung konstant zu halten. Diese Getriebe arbeiten im allgemeinen mit einem Hüfsmaschinerisatze, der an den Sekundärstromkreis des Wechselstromantriebmotors angeschlossen ist und beim Anlauf oder bei Tourenvariationen des Hauptmotois einen entsprechenden Teil der dem Hauptmotor zugeführten Energie an einen zweiten mit diesem mechanisch verbundenen Motor abgibt. Die Getriebe können selbsterregend ausgeführt werden und können hierbei in eigenartiger Weise so geschaltet werden, daß sie bei variabler Belastung an ihren Klemmen eine konstante Spannung erzeugen oder auch eine mit der Belastung zunehmende Spannung, so daß sie keinen Spannungsabfall im Netze hervorrufen, sondern dem Netze einen reinen Wattstrom entnehmen bzw. bei jeder Belastung Strom derartiger Phasenver-Schiebung, Voreilung u. dgl., daß dieser Strom keine Rückwirkung auf die Zentralenspannung ausübt. Der Hilfsmaschinensatz kann hierbei gleichzeitig zur Aufhebung von Belastungsstößen benutzt werden und so geschaltet werden, daß Belastungsstöße des Arbeitsmotors durch die Schwungmassen des Hilfsmaschinensatzes aufgenommen werden.

Diese Getriebe vermeiden zunächst alle die oben erläuterten Nachteile der Schwungradümformeranlagen. Ihre Vorteile gegenüber den Wechselstrom-Gleichstrom-Umformeranlagen liegen in erster Linie in' der Reduktion der Maschinen, ferner in der Verbesserung des Wirkungsgrades durch den Fortfall der dreifachen Energieumsetzung und der Schlupfverluste, so daß die mittlere Belastung der Zentrale kleiner wird, schließlich im Fortfall der wattlosen Ströme und der "Rückwirkung auf die Zentrale, der selbsttätigen Phasen kompensierung und selbsttätigen Spannungsregulierung.

Die Belastungskurve des dem Netze entnommenen Stromes nimmt hierbei einen abgeflachten, einer gut regulierenden Zentrale sich gut anpassenden Verlauf. Andererseits sind diese Getriebe aber nicht geeignet für die eingangs erwähnten Anlagen, in denen wegen unvollkommen regulierender Maschinen in der Zentrale, wie Gasmotoren u. dgl., oder aus anderen Gründen die Bedingung gestellt ist, daß die Zentralenbelastung auf einer dauernd absolut konstanten Höhe gehalten werden soll.

Es ist vorgeschlagen worden, um auch für derartige Anlagen die Vorteile dieser Getriebe auszunutzen, einen Wechselstrom-Gleichström-Schwungradumformer, ähnlich wie in Ilgner-Anlagen, zu benutzen, dahingegen die Tourenvariation des Schwungradmotors nicht durch Schlupfregelung, durch Widerstände zu bewirken, sondern den Wechselstrommotor nebst " Schlupfregler im Schwungradumformer durch ein derartiges Getriebe zu ersetzen. Man würde hierdurch außer anderen Vorteilen die Möglichkeit einer Tourenvariation in weiteren Grenzen erzielen und einer dementsprechenden Reduktion des Schwungradgewichtes, einfachere Regulierung der Tourenzahl durch einfache Nebenschlußregulierung der Gleichstrommaschinen des Getriebes, Kompensierung der Phasenverschiebung u. dgl. m. Es zeigt sich jedoch, daß in diesem Falle die ganze Anlage zu teuer würde, jedenfalls teuerer, als z. B. eine normale Schwungradumformergruppe mit Schlupfregler. Der Schlupfregler würde hier ersetzt durch zwei bis drei Hilfsmaschinen, deren Preis die Kosten der Anlage erhöhen müßte,

Die vorliegende Erfindung hat zum Zweck für derartige Fälle eine ähnliche Wechselstrom-Gleichstrom-Umformung mittels derartiger Getriebe zu bewirken und alle die genannten Vorteile auszunutzen, die Kosten der Anlage aber ganz bedeutend dadurch zu reduzieren, daß als Sekundärseite des Umformers, d. h. als Gleichstromerzeuger, die Gleichstrommaschinen des Getriebes selbst benutzt werden. Alle diese Getriebe setzen sich bekanntlich zusammen aus einer oder zwei Wechselstrommaschinen und einer oder zwei Gleich-Strommaschinen, die auf zwei voneinander unabhängigen Achsen sitzen und in verschiedener Weise zueinander geschaltet sein können. Dient das Getriebe selbst als Antrieb für eine Arbeitsmaschine, so arbeitet in der Regel eine der Gleichstrommaschinen als Generator, eine als Motor, d. h. die im Getriebe erzeugte Gleichstromenergie wird elektrisch wieder zurückgewonnen. Es ist aber klar, daß, wenn wir dieses Getriebe in sich leer laufen lassen, die gesamte demselben als Wechselstrom zugeführte elektrische Energie den Gleichstrom-

maschinen des Getriebes selbst direkt als Gleichstrom entnommen werden kann, und es ist in diesem Falle nicht erforderlich, das Getriebe noch mit einem besonderen sekundären Gleichstromgenerator zu' kuppeln. Die Rechnung zeigt hierbei, daß die Gleichstrommaschinen des Getriebes, selbst wenn das Getriebe für größere Tourenvariationen konstruiert ist, bereits so groß werden, daß sie

ίο als Generatoren bzw. als Umformer die gesamte zugeführte Leistung liefern können, so daß die erzielte Ersparnis annähernd dem Fortfall des besonderen Gleichstromgenerators gleichkommt und desgleichen auch die elekirischen Verluste in diesem Verhältnisse sich reduzieren.

Die sich ergebenden Ausführungsformen unterscheiden sich von den normalen Wechselstrom - Gleichstrom - Schwungradumformern äußerlich dadurch, daß der Umformer gewissermaßen durch zwei Umformer ersetzt ist, die entsprechend zusammengeschaltet sind, wobei ein Schwungrad entweder auf die Achse des einen oder des anderen gesetzt werden kann oder bei entsprechender Schaltung auch beide Umformer mit Schwungrädern ausgeführt werden können. Die maschinelle Größe der beiden Umformer zusammen entspricht im allgemeinen derjenigen des Ilgner-Schwungradumformers allein gerechnet, kann aber dadurch noch weiter reduziert werden, daß man den einen der beiden Umformer durch einen Einankerumformer, d. h. durch eine einzige Maschine, ersetzt. Hier hinzu kommt, daß infolge der höheren Tourenvariation das Schwungrad kleiner dimensioniert werden kann, so daß die ganze Gruppe im allgemeinen billiger werden dürfte als ein einziger Schwungradumformer mit Schlupfregler. Ein weiterer Vorteil ist der, daß die Motoren der Umformer hier nicht annähernd synchron, sondern weit unterhalb des Synchronismus arbeiten und aus diesem Grunde hier auch nicht der oben erwähnte Nachteil der Ilgner-Regulierung eintreten kann, daß bei einer etwas längeren Arbeitspause die Primärstromaufnahme plötzlich auf Null fällt und Störungen in der Zentrale hervorruft. Wird die Arbeitspause überschritten, so hat dieses nur zur Folge, daß das Feld der zur Regulierung dienenden Maschine sich allmählich sättigt und die Primärenergieaufnahme ganz allmählich abfällt.

Fig. ι zeigt eine Ausführungsform, die im Prinzip wohl die zunächstliegende sein würde. α ist der Motor, b die Gleichstrommaschine des einen Umformers, d ist der Motor, c die Gleichstrommaschine des zweiten Umformers, i ist ein Schwungrad, f ist der Betriebsmotor, z. B. ein Fördermotor. Die Primärwicklungen beider Motoren α und d sind hier an die Stromzuführungen 1, 2, 3 angeschlossen. Die Sekundärwicklungen beider Motoren sind untereinander durch die Schleifringe verbunden. Nehmen wir an, die beiden Motoren haben die gleiche Polzahl, so muß die Summe der Tourenzahlen beider konstant sein, d. h. wenn die Tourenzahl des einen zunimmt, nimmt die des anderen ab. Will man ein Schwungrad i benutzen, so kann dieses sowohl auf der einen als auf der anderen Achse sitzen und ist hier z. B. mit dem Motor d gekuppelt. Die Gleichstromerregung der Maschinen kann einer konstanten Gleichstromquelle entnommen werden oder auch z. B. zwei Erregermaschinen β und g, die auf der Achse der beiden Umformer sitzen. Da die Tourenzahl des einen Umformers zunimmt, wenn die andere abnimmt bzw. bei entsprechender Ausführung die Summe der Tourenzahlen beider eine konstante ist, so braucht man in dieser Schaltung interessanterweise die beiden Erregermaschinen nur in Serie zu schalten, um bei beliebigen Tourenvariationen der Umformer eine dauernd konstante Erregerspannung zu erzeugen. Das Anlassen des Betriebsmotors f geschieht am zweckmäßigsten, indem man die beiden Gleichstrommaschinen b und c in Ward-Leonard-Schaltung zueinander schaltet. Der Motor f sei hierbei voll erregt und auch die Erregung der Maschine b zunächst auf einen gewissen Wert eingestellt; die Erregung der Maschine c wird dann zunächst zweckmäßig entgegengesetzt eingeschaltet, so daß die von ihr erzeugte Spannung sich von der der Maschine b subtrahiert, danach allmählich bis Null verringert, umgeschaltet und schließlich im gleichen Sinne erregt wie b. Man kann dann zur Tourenregulierung von f die Erregung der beiden Maschinen b und c auch gleichzeitig miteinander variieren, z. B. mittels eines gemeinsamen Regulierhebels, und erzielt dann, da die Summe der Tourenzahlen von b und c eine konstante ist, hier die interessante Wirkung, daß auch bei beliebigen Tourenvariationeh die von beiden Maschinen zusammen erzeugte Spannung einzig und allein gegeben ist durch die Stellung des Regulierhebels, so daß jeder Stellung des Regulierhebels, ganz unabhängig von der Tourenvariation der Umformer, eine ganz bestimmte Geschwindigkeit des Betriebsmotors f entspricht, was insbesondere bei Förderbetrieben von Wichtigkeit ist. Die dem Netz entnommene Energie ist in dieser Schaltung gegeben durch das Drehmoment, welches der Motor α ausübt, und man kann dieses Drehmoment und damit auch die Netzbelastung durch Regulierung der Erregung der Maschine b konstant halten, z. B. indem man den Erregerwiderstand derselben in Abhängigkeit von der Energieaufnahme des Motors α betätigen würde, in ahn-

licher Weise wie bei den üblichen Schwungradumformeranlagen den Schlupfwiderstand. Man kann auch, was besonders interessant ist, diese Energieaufnahme dadurch annähernd konstant halten, daß man die Maschine b gegenkompoundiert, wie hier z. B. angegeben ist. Nimmt dann der von der Maschine b abgegebene Strom zu, so nimmt ihr Feld ab, so daß ihr Drehmoment annähernd konstant

ίο bleibt. Es ist leicht ersichtlich, daß beide Wechselstrommotoren infolge ihrer Zusammenschaltung dem Netz ungefähr denselben Strom entnehmen müssen. Das Drehmoment eines Wechselstrommotors ist aber ungefähr proportional dem aufgenommenen Strom, und solange das Drehmoment der Maschine b konstant bleibt, bleibt auch das Drehmoment des Motors α konstant und mithin auch der gesamte dem Netz entnommene Strom. Man kann die Tourenzahl des Betriebsmotors f auch mehr oder weniger selbsttätig variabel machen, indem man der Maschine c eine zweite Erregerwicklung gibt, welche man an die Stromzuführungen des Motors f anschließt. Derartige Regulierungen würden in erster Linie in Walzwerken und ähnlichen Betrieben von Vorteil sein. Soll die Drehrichtung des Motors f umgekehrt werden, so kann man entweder die Erregungen der Maschinen b und c umkehren oder, was einfacher ist, die Erregung des Motors f oder die Stromzuführungen zum Motor f. Durch andere Verbindungen und Kompoundierungen der Maschinen u. dgl. mehr können natürlich die verschiedensten Regulierangen bewirkt werden. Bei Stillstand des Motors f kann man auch seine Stromzuführungen direkt in sich kurzschließen, so daß der in dem Hilfsgetriebe erzeugte Strom, ohne über den Motor f zu fließen, sich direkt in dem Getriebe schließt und z. B. zum Aufladen des Schwungrades dient.

Fig. 2 zeigt eine andere Schaltung, bei welcher nur der Motor α am Netze liegt und außerdem der zweite Umformer durch einen einzigen Einankerumformer ersetzt ist, dessen Schleifringe an die Schleifringe des Motors a angeschlossen sind. Die Phasenverschiebung des Primärstromes kann hier durch die Erregung des Einankerumformers c aufgehoben oder reguliert werden. In dieser Schaltung wird die dem Betriebsmotor f zugeführte Spannung und dessen Tourenzahl durch die Erregung der Maschine b reguliert. Auch hier kann eine selbsttätige Regulierung des Primär-Stromverbrauches in ähnlicher Weise durch einen Automaten oder durch Kompoundierung der Maschine b bewirkt werden oder durch gleichzeitige Regulierung der Erregung des Motors f. Desgleichen kann hier, ähnlich wie oben, die Maschine b eine zweite Erregerwicklung erhalten, welche an die Stromzuführungen des Motors f angeschlossen ist. In dieser Ausführung ist nur eine einzige Erregermaschine e eingezeichnet, und man kann auch hier in ähnlicher Weise wie oben eine ganz konstante Erregerspannung erzeugen, indem man, wie hier gezeichnet ist, die Maschine β mit der Maschine c in Serie schaltet.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform, bei welcher die beiden Maschinen b und c direkt aufeinander geschaltet sind, so daß z. B. die Maschine b dauernd als Generator arbeitet und bei Stillstand des Betriebsmotors f die von ihr erzeugte Energie an den Motor c und damit an das Schwungrad abgibt, im Betriebe hingegen parallel zu c auf den Betriebsmotor f arbeitet. Auch hier kann man den Primärverbrauch selbsttätig wieder annähernd konstant halten durch Regulierung der Erregung der Maschine b oder dadurch, daß man die Maschine b als gegenkompoundierte Maschine ausführt, so daß ihr Drehmoment bei variabler Belastung und Tourenzahl annähernd konstant bleibt. Hiermit bleibt dann auch das vom Motor α entwickelte Drehmoment annähernd konstant und damit der dem Netz entnommene Strom. Die dem Betriebsmotor/" zugeführte Spannung kann hier zweckmäßigerweise durch eine mit c gekuppelte Maschine h reguliert werden, welche zu der Maschine c in Serie geschaltet ist und nach der Ward-Leonard-Schaltung z. B. in dem einen oder dem anderen Sinne erregt werden kann. Benutzt man in den Schaltungen Einanker-Umformer, so ist es zweckmäßig, wie z. B. hier geschehen ist, ein Schwungrad auf die Achse des Einanker-Umformers zu setzen, da der-' artige Maschinen bekanntlich aus verschiedenen Gründen unter Umständen aus dem Tritt fallen oder durchgehen können und dieses hier durch die Verbindung mit Schwungmassen vermieden sein würde.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Sekundärwicklung des Motors a an die Primärwicklung der Maschine d angeschlossen ist und deren Sekundärwicklung an drei Schleifringe der Maschine b. Man kann hier die letzteren Verbindungen entweder in solchem Sinne anschließen, daß die Tourenzahlen der beiden Umformer wie bei den obigen Schaltungen im entgegengesetzten Sinne zueinander variieren, oder man kann sie auch so anschließen, daß sie im gleichen Sinne variieren. In diesem Falle wirken die Schwungmassen beider Umformer im gleichen Sinne, und wenn man besondere Hilfsschwungmassen benutzen will, so kann man eventuell auf jeden Umformer ein Schwungrad setzen und zwei Schwungräder i und k benutzen. Die Erregermaschine g sitzt hier auf der Achse der Maschine c, und man kann hier eine konstante Erregerspannung erhalten, indem man

sie im entgegengesetzten Sinne in Serie zu der Maschine c oder d schaltet. Die dem Motor f zugeführte Spannung ist hier durch den Regulierhebel der Maschine c gegeben, wenn man die Erregung dieser Maschine gleichzeitig im entgegengesetzten Sinne an die von ihr abgegebene Spannung anschließt.

Es ist noch eine Anzahl Kombinationen denkbar, und die hier angegebenen Einzelheiten können auch in der verschiedensten Weise gleichzeitig benutzt werden. Alle Schaltungen sind dadurch gekennzeichnet, daß der Umformer durch zwei Umformer ersetzt ist, deren Motorseiten so untereinander verbunden sind, daß die Tourenzahlen beider in Abhängigkeit zueinander stehen, und deren Gleichstromkreise gleichfalls untereinander verbunden sind, so daß die primäre Energieaufnahme durch Regulierung der Erregungen der Gleich-

Strommaschinen der Umformer zueinander in verschiedener Weise reguliert werden kann. Diese Regulierung kann von Hand oder durch selbsttätige Beeinflussung der Erregerwiderstände der Gleichstrommaschinen oder durch elektrische Regulierung in den Maschinen selbst, in besonders zweckmäßiger Weise durch Gegenkompoundierung eines der Gleichstromerzeuger, bewirkt werden. Hierbei kann, zur Erzielung größerer Belastungsausgleiche, ein Teil der den Umformern zugeführten primären Energie entweder an die Schwungmassen des Umformers selbst oder an ein mit dem einen oder mit dem anderen gekuppeltes Schwungrad oder an Schwungräder, die mit beiden Umformern gekuppelt sind, abgegeben werden.

Claims (3)

Patent-Ansprüche:

1. Schaltung von Wechselstrom-Gleichstrom-Umformern, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Umformer auf ihren Wechselstromseiten und Gleichstromseiten so untereinander verbunden sind, daß die Tourenzahlen der Umformer in Abhängigkeit voneinander stehen und durch Regulierung der Erregung der Gleichstrommaschinen reguliert werden können, wobei der eine oder der andere der beiden Umformer oder jeder der beiden mit einem Schwungrade verbunden ist, welches zur Energieaufspeicherung eines Teiles der primär zugeführten Energie dient bzw. diese Energie in entsprechenden Zeitabschnitten an die Sekündärstromseite abgibt.

2. Ausführungsform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regulierung der Primärenergieaufnahme durch selbsttätige Regulierung der Erregung einer der Gleichstrommaschinen der Umformer oder beider geschieht.

3. Ausführungsform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regulierung der Primärenergieaufnahme durch Gegenkompoundierung einer der Gleichstrommaschine der Umformer oder durch Kompoundierung oder Gegenkompoundierung beider geschieht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.