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Beschreibung und Patentansprüche Stromrichter-Synchronmaschine mit
Drehfelderregung Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromrichter-Synchronmaschine
mit Drehfelderregung, welche vornehmlich für Antriebszwecke geeignet ist. Daneben
kann sie aber auch für andere Aufgaben wie das Anfahren von lastgeführten Wechselrichtern
oder die Stromversorgung von Ein- und Mehrmotoren-Antrieben mit variabler Frequenz
und Spannung eingesetzt werden.
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Die häufigste Antriebsaufgabe ist jene, bei der eine Arbeitsmaschine
in einer Drehrichtung aus dem Stillstand auf eine Maximaldrehzahl beschleunigt und
anschliessend wieder bis zum Stillstand abgebremst werden muß.
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Diese Aufgabe wird heute üblicherweise mit einer Gleichstromnebenschlußmaschine
gelöst, welche entweder über einen Einfachstromrichter mit Ankerumschaltung oder
über einen Umkehrstromrichter gespeist wird.
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Diese Lösung ist durch drei wesentliche Mängel gekennzeichnet, nämlich
den Wartungsbedarf des Kommutators, die teure, aufwendige Maschine und die hohe
Blindleistungsaufnahme der Anordnung bei niedrigen Drehzahlen.
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Eine mögliche Alternative hierzu ist durch die Stromrichter-Synchronmaschine
gegeben (Bild 1).
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Beim Antrieb der Arbeitslnaschine A arbeitet die dort skizzierte Synchronmaschine
als Motor, der Stromrichter SRI als maschinengeführte (= maschinenkommutierter)
Wechselrichter und der Stromrichter SRII als netzgeführter Gleichrichter.
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Die Energieübertragung vom Stromrichter SRI zum Stromrichter SRII
erfolgt über einen Gleichstromzwischenkreis unter Einschaltung einer Glättungsdrossel
Ld. Dadurch sind die Frequenzen auf den Wechselstromseiten der Stromrichter SRI
und SRII völlig voneinander entkoppelt.
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Beim Bremsen der Arbeitsmaschine A arbeitet die Synchronmaschine als
Generator,der Stromrichter -SRI als maschinengeführter (= maschinenkommutierter)
Gleichrichter und der Stromrichter SRII als netzgeführter Wechselrichter. Die entsprechende
Umsteuerung wird ausschliesslich über die Signalelektronik bewirkt, welche die Zündverzögerungs-.winkel
a1 und aII der beiden Stromrichter SRI und SRII entsprechend verändert.
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Bei der in Bild 1 skizzierten Anlage wird der unerwünschte Kommutator
vermieden. Außerdem sind die Kosten für die Synchronmaschine nur etwa halb so groß
wie jene für eine Gleichstrommaschine gleicher Leistung.
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Die Anlage weist jedoch einen ganz erheblichen Mangel auf. Im Bereich
sehr geringer Drehzahlen wird die Spannung der Synchronmaschine sehr gering.
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Damit ist für den Stromrichter SRI keine einwandfreie Kommutierung
mehr gewährleistet. Infolgedessen ist ein Anlauf aus dem Stillstand nur bei sehr
geringem Schwungmoment und geringem Widerstandsmoment der Arbeitsmaschine A möglich.
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Die Behebung der Anlaufschwierigkeiten beim Stromrichtersynchronmotor
ist von großer technischer und wirtschaftlicher Bedeutung. Es hat daher an Abhilfevorschlägen
bisher auch nicht gefehlt. Nur ist bei allen bisher bekannten Vorschlägen entweder
der Aufwand so groß, daß die Wirtschaftlichkeit ganz erheblich darunter leidet oder
die Abhilfemaßnahmen sind technisch unbefriedigend. Die im folgenden vorgestellte
Lösung ist neu. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen sieht sie vor, daß der maschinenseitige
Stromrichter stets fremdgeführt (= fremdkommutiert) arbeiten kann, die für seine
Kommutierung erforderlichen Spannungen also stets von seiten des angeschlossenen
Drehspannungssystems zur Verfügung stehen. Dadurch wird hinsichtlich des maschinenseitigen
Stromrichters eine wesentliche Schaltungsvereinfachung ermöglicht. Ein solches Vorgehen
setzt jedoch voraus, daß auch im Stillstand der Synchronmaschine deren Statorfrequenz
und Statorspannung von Null verschieden sind. Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, daß die zum Einsatz kommende Synchronmaschine
nicht mit
Gleichstcon, und aaalia - relativ zum Rotor - mit einem Gleichfeld, sondern mit
zwei-, drei- oder mehrphasigem Wechselstrom und damit - relativ zum Rotor - mit
einem Drehfeld erregt wird. Dadurch ist gewährleistet, daß auch beim Stillstand
des Rotors in den Ständerwicklungen eine für die Kommutierung des angeschlossenen
fremdgeführten (= fremdkommutierten) Stromrichters ausreichende Spannung induziert
wird.
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Bild 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Stromrichter-Synchronmaschine
gemäß dem Schlüsselgedanken der Erfindung.
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Die gleichstromerregte Synchronmaschine nach Bild 1 ist hier durch
eine drehstromerregte Synchronmaschine 1 ersetzt, welche nach dem Prinzip einer
Induktionsmaschine mit Schleifringläufer aufgebaut ist.
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Die Läuferschleifringe sind in diesem Beispiel direkt an ein vorhandenes,
weitgehend starres Drehstromnetz 2 mit der elektrischen Frequenz fII angeschlossen.
Infolgedessen rotiert die Erregerdurchflutung gegenüber dem Läufer mit der Frequenz
fI1/P wobei p die Polpaarzahl der Maschine kennzeichnet.
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Die Anschlußfolge der Läuferschleifringe an das Drehstromnetz wird
so gewählt, daß die Läuferdurchflutung
relativ zum Läufer in dessen
gewunsc'tlter mechanischer Drehrichtung umläuft.
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Die Ständerwicklung der drehstromerregten Synchronmaschine ist an
die Wechselspannungsausgänge eines fremdgeführten (= fremdkommutierten) Stromrichters
3 angeschlossen. Dieser Stromrichter 3 bezieht also seine Kommutierungsspannung
bzw. seine Kommutierungs- und Steuerblindleistung von der drehstromerregten Synchronmaschine
1.
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Mit dem weitgehend starren Drehstromnetz 2 ist der maschinengeführte
Stromrichter 3 (SRI) über einen Gleichstromzwischenkreis mit der Glättungsdrossel
Ld (4) und dem netzgeführten Stromrichter 5 (SRII) verbunden. Dabei ist ein Energiefluß'in
beiden Richtungen möglich. Arbeitet die drehstromerregte Synchronmaschine 1 als
Motor, so arbeitet der maschinengeführte (= maschinenkommutierte) Stromrichter 3
als Wechselrichter und der netzgeführte (= netzkommutierte) Stromrichter 5 als Gleichrichter.
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Arbeitet die drehstromerregte Synchronmaschine 1 dagegen als Generator,
so arbeitet der maschinengeführte Stromrichter 3 als Gleichrichter und der netzgeführte
Stromrichter 5 als Wechselrichter. Die Einstellung dieser Betriebszustände erfolgt
- wenn erforderlich über eine Regeleinrichtung automatisch - über die Zündverzögerungswinkel
αI
und αII , welche uber die Gatesteuergeräte 8 (GSGI) und 9 (GSGII) eingestellt
werden.
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Ober die verschiedenen an der drehstromerregten Synchronmaschine auftretenden
Leistungen geben folgende Oberlegungen Aufschluß: Die Frequenz am Ausgang des maschinengeführten
Stromrichters 3 ist aufgrund der direkten Verbindung mit der drehstromerregten Synchronmaschine
1 gleich deren elektrischer Statorfrequenz fI . Hat diese Maschine 2p Pole, so rotiert
die Statordurchflutung relativ zum Stator mit der Frequenz fI/P Der Läufer der Maschine
rotiere mit einer Frequenz fnech. Nach den weiter oben getroffenen Voraussetzungen
rotiert damit die Läuferdurchflutung relativ zum Stator mit der Frequenz fII/P +
mech Im eingeschwungenen Zustand ist die Drehgeschwindigkeit der Läuferdurchflutung
gegenüber der Umwelt gleich der Drehgeschwindigkeit der Statordurchflutung gegenüber
der Umwelt, es gilt also die Beziehung fI/P fII/p fnech Vom aus beiden Durchflutungen
resultierenden magnetischen Fluß - der gegenüber der Umwelt
mit
der Frequenz fI/p = fII/p + fmech rotiert -wird auf den Läuferstrombelag ein Drehmoment
MD ausgeübt. Vom Läufer wird infolgedessen - einschliesslich der Reibungsverlustleistungen
- die mech. Leistung mech mech 2 MD.
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abgegeben. Auf diesen Läufer wird vom Stator -bei Vernachlässigung
der Statorverluste - die Leistung PI = (fI/p)2# MD übertragen.
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Die Differenz zwischen der vom Stator auf den Läufer übertragenen
Leistung PI =(fI/p)2# MD und der vom Läufer mechanisch abgegebenen Leistung Pmech
nach 2 MD also der Wert PII = PI - Pmech = (fI/p - fmech) 2# MD wird bei Vernachlässigung
der Läuferverluste vom Läufer elektrisch abgegeben. Zwischen den drei Leistungen
PI , PII und Pmech sowie den drei Frequenzen fI , fII und fmech bestehen danach
die Beziehungen
welche in Bild 3 schematisch dalgesvell sind.
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Gibt die Maschine also im Motorbetrieb eine bestimmte mechanische
Leistung Pmech an ihrer Welle ab, so muß ihr am Stator die elektrische Leistung
Pl I mech + PII zugeführt werden.
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Der Anteil PII wird über die Läuferschleifringe an das erregende Drehspannungssystem
abgegeben.
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Wenn die Maschine umgekehrt im Generatorbetrieb eine bestimmte mechanische
Leistung an ihrer Welle aufnimmt, so nimmt sie über die Läuferschleifringe aus dem
erregenden Drehspannungssystem zusätzlich eine Leistung
Pmech auf und führt die Summe, also PI = Pmech + PII , dem dann als Gleichrichter
arbeitendn, maschinenseitigen Stromrichter zu.
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Die Leistung -PII ist danach möglichst klein zu halten, da sie nur
die Maschine und die bei den Stromrichter SRI und SRII sowie den Gleichstromzwischenkreis
belastet. Sie ist eben der Preis dafür, daß die Stromrichter-Synchronmaschine mit
Drehfelderregung keine Anlaufschwierigkeiten mehr aufweist.
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Wegen
PmeCh wird man für den.Nennbetriebspunkt der Anordnung das Verhältnis f11/f1 möglichst
klein wählen. Eine
untere Grenze dürfte etwa bei Werten fII/fI|nenn
# 0,05 bis 0,02 liegen, da - für konstante Erregung - die Statorspannung sich etwa
proportional zur Statorfrequenz verändert und bei noch kleineren Werten von fII/fI|nenn
die Statorspannung im Stillstand der Maschine für eine ordnungsgemäße Kommutierung
bei hohem Drehmoment kaum mehr ausreichen wird.
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Ein weiterer Gesichtspunkt für die Wahl des Verhältnisses fII1I1nenn
ist durch die Tatsache gegeben, daß zur Erregung der beschriebenen Synchronmaschine
vorzugsweise das 50 Hz- bzw. 60 Hz-Drehstromnetz verwendet werden wird. Dann ergeben
sich bei einem Verhältnis fII/fI|nenn = 0,05 Statornennfrequenzen von 1000 Hz bzw.
1200 Hz, welche mit heute verfügbaren Thyristoren in maschinengeführten (= maschinenkommutierten)
Wechselrichtern noch ohne Schwierigkeiten zu beherrschen sind.
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Ein dritter Gesichtspunkt für die Wahl des Verhältnisses f Inenn ist
durch die Eisenverluste im Stator der drehfelderregten Synchronmaschine gegeben.
Diese sind - bei geeigneter Ausführung der Maschine - bei Frequenzen fI nenn von
400 Hz bis 1000 Hz noch ohne erheblich störenden Einflu».
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Ein vierter Gesichtspunkt für die Wahl des Verhältnisses fII/fI|nenn
ist schliesslich durch
die gewünschte Nenndrehzahl und die bei
gegebenen Abmaßen der Maschine technisch sinnvoll realisierbaren Polpaarzahlen gegeben.
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Dies soll anhand des in Bild 4 dargestellten Ausführungsbeispiels
beschrieben werden. Dort ist der netzseitige Stromrichter 10 (SRII) an ein weitgehend
starres 50 Hz-Drehstromnetz 11 angeschlossen. Vom selben Drehstromnetz wird auch
der Läufer der Maschine 12 über seine Schleifringe erregt.
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Die Maschine besitze beispielhaft 2p = 8 Pole.
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Die-gewünschte mechanische Nennfrequenz sei fmech,nenn = 6000 1/min
= 100 1/s . Danach hat die Frequenz der Statorspannung im Nennbetriebspunkt den
Wert fI,nenn = fII,nenn + p fmech,nenn = 50 1/s + 4.100 1/s = 400 1/s.
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Wird im Nennbetriebspunkt die Leistung PmeCh nenn an der Welle abgegeben,
so ist - wieder unter Vernachlässigung der Verluste - am Stator die Leistung
Pmech,nenn ' 1,125 Pmech,nenn zuzuführen, während vom Läufer über die Läuferschleifringe
die Leistung PII,nenn = 0,125 Pmech,nenn an das erregende Drehstromnetz abgegeben
wird.
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Der netzseitige Stromrichter 10 (SRII) , der Gleichstromzwischenkreis
mit der Glättungsdrossel 15 und der maschinenseitige Stromrichter 13 (SRI) sowie
die drehstromerregte Synchronmaschine
werden also lediglich 12,5
% höher belastet, als dies bei einem Stromrichter-Synchronmotor mit Gleichfelderregung
der Fall wäre.
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Gegenüber einem solchen kann die vorliegende Maschine aber auch im
Stillstand das volle Nennmoment bzw. -kurzzeitig ein mehrfaches davon abgeben, und
zwar ohne daß störende Momentpulsationen auftreten.
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Um zu vermeiden, daß der maschinengeführte (=maschinenkommutierte)
Stromrichter. 13 (SRI) über die gesamte Reaktanz der Maschine 12 kommutieren muß,
sind parallel zu den Ständeranschlüssen Stützkondensatoren 14 (Cs) vorgesehen, welche
sowohl im Stern als auch im Dreieck geschaltet sein können. Diese Kondensatoren
werden mindestens so groß gewählt, daß während der Dauer einer Kommutierung im maschinengeführten
Stromrichter 13 (SRI) die Statorspannung der Synchronmaschine weitgehend konstant
bleibt. Zur Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeiten im fremdgeführten Stromrichter
13 (SRI) werden dann Kommutierungsdrosseln 16 (LK) erforderlich, deren Induktivität
jedoch so klein gehalten werden kann, daß die einzelnen Kommutierungen im fremdgeführten
Stromrichter 13 im ganzen Betriebsbereich ausreichend rasch verlaufen.
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Das Gatesteuergerät 17 (GSGII) des netzgeführten Stromrichters 10
erhält zweckmäßigerweise als
Referenzspannung, zu welcher die Lage
der Gatesteuerimpulse des netzgeführten Stromrichters 10 (SRII) relativ fesgelegt
wird, die Spannung des speisenden 50 Hz-Drehstromnetzes 11 vorgegeben.
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Das Gatesteuergerät 18 (GSGI) des maschinengeführten Stromrichters
13 erhält im vorliegenden Fall als Referenzspannung, zu welcher die Lage der Gatesteuerimpulse
des maschinengeführten Stromrichters 13 (SRI) relativ festgelegt wird> die Ständerspannung
der drehstromerregten Synchronmaschine 12 vorgegeben. Bei festgehaltenem aII und
a1 nimmt dann die mechanische Frequenz fmech mit wachsender Belastung ab.
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Die zeitliche Folge der Gatesteuerimpulse für den maschinengeführten
Stromrichter 13 (SRI) kann aber auch von einem externen Frequenzgeber vorgegeben
werden. Dann entsteht eine fremdgetaktete Stromrichter - Synchronmaschine mit Drehfelderregung,
deren mechanische Frequenz fmech lastunabhängig ist und nur von der Frequenz fil
des Erregersystems und der dann über den externen Frequenz geber festgelegten Statorfrequenz
fI der drehstromerregten Synchronmaschine festgelegt wird.
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Schließlich kann die Auslösung der Gatesteuerimpulse für den maschinengeführten
Stromrichter 13 (SRI) auch über einen Läuferstellungsgeber, welcher
auf
dem Läufer der drehfelderregten Stromrichter-Synchronmaschine angeordnet ist, vorgenommen
-werden. Dann entsteht eine läuferstellungsgesteuerte Stromrichter-Synchronmaschine
mit Drehfelderregung, deren mechanische Frequenz ohne entsprechende Regeleinflüsse
wieder lastabhängig ist.
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Im skizzierten Ausführungsbeispiel, wenn das Gatesteuergerät 18 als
Referenzspannung die Statorspannung der drehstromerregten Synchronmaschine vorgegeben
erhält, werden über die beiden Stelleingriffe αI (Zündverzögerungswinkel im
maschinengeführten Stromrichter) und a Zündverzogerungswinkel im netzgeführten Stromrichter)
die gewünschte mechanische Frequenz fmech und die gewünschten Blindstromverhältnisse
eingestellt, was über ein übergeordnetes Regelsystem automatisch geschehen kann.
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Die Blindstromverhältnisse können dazuhin noch über die Größe der
Stützkondensatoren 14 CCs) sowie über erforderlichenfalls zusätzlich auf der Erregerseite
eingeschaltete Kompensationskondensatoren 19 (CK) in der gewünschten Weise eingestellt
werden.
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Mit der anhand von Bild 4 beschriebenen Anordnung kann die Arbeitsmaschine
20 (A) in einer Drehrichtung unter Voll- bzw. kurzzeitig auch unter
Oberlast
vom Stillstand auf eine Masirllaldrehzahl beschleunigt und umgekehrt auch wieder
abgebremst werden. Ein Hochlauf in der umgekehrten Drehrichtung ist ebenfalls möglich,
jedoch nur bis zu einer wesentlich geringeren Drehzahl.
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Ein voller Vierquadrantenbetrieb kann dadurch ermöglicht werden, daß
der Anschlußsinn des Erregerspannungssystems an den Läuferschleifringen durch Vertauschen
zweier Phasen umgekehrt wird, was unter Verwendung von Thyristoren oder Triacs auch
kontaktfrei geschehen kann.
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Bild 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches ebenfalls vom
Schlüsselgedanken der Erfindung Gebrauch macht.
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Der strichliert eingerahmte Mittelfrequenzverbraucher 2Q bestehe beispielsweise
aus einem Mehrmotorenantrieb, welcher für seinen Nennbetrieb über Kondensatoren
geeignet kompensiert sei. Der Anlauf dieser Motoren - z.B. Hysterese-, Synchron-
oder Asynchronmaschinen - erfolgt bei geschlossenem Schaiter 21 (S) . Bei Stillstand
der drehstromerregten Stromrichter-Synchronmaschine ist fI = II mit fII vorzugsweise
gleich 50 Hz bzw. 60 Hz. Die Ständerspannung der Stromrichtersynchronmaschine wird
so gewählt, daß sie in diesem Zustand gerade dem für den Verbraucher 20 gewünschten
Wert entspricht.
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Der Blindstrombedarf des Mittelfrequenzverbrauchers
20
wird in diesem Zustand weitgehend iioer die Erregerschleifringe der Stromrichter-Synchronmaschine
24 aus dem Erregerspannungssystem 22 gedeckt, welches dazu durch Kondensatoren 23
entsprechend kompensiert sein kann. Bei Leistungszufuhr aus dem Gleichstromzwischenkreis
25 wird die drehstromerregte Stromrichter-Synchronmaschine beschleunigt, d.h. ihr
Läufer beginnt sich zu drehen, fmech wächst. Damit steigt auch fl und die Motoren
26 des Mittelfrequenzverbrauchers 20 werden weiter hochgefahren.
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Durch Verringerung von uII a dem Zündverzögerungswinkel des nezgeführten
Stromrichters 27 (SRII), wird die Leistungszufuhr über den Gleichstromzwischenkreis
25 nun fortlaufend weiter erhöht, bis die Frequenz f1 den gewünschten Nennwert,
z.B. 1100 Hz erreicht hat. Sind die Kompensationskondensatoren 28 des Mittelfrequenzverbrauchers
geeignet dimensioniert, so kann anschliessend -für einen Dauerbetrieb - der Schalter
S auch geöffnet und die drehstromerregte Maschine selbst stillgesetzt werden. Die
Stromrichter 27 (SRII) und 29 (SRI) fungieren dann zusammen mit den Stützkondensatoren
30 und Kompensationskondensatoren 28 und den angeschlossenen Motoren 26 als Parallelschwingkreisumrichter,
welcher in bekannter Weise selbst- oder fremdgetaktet betrieben werden kann.
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Die inzwischen abgetrennte drehstromerregte Synchronmaschine kann
anschließend zum Anfahren eines weiteren Parallelschwingkreisumrichters eingesetzt
werden.
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Selbstverständlich können auf diese Weise auch andere als motorische
Verbraucher über einen Schwingkreiswechselrichter gespeist und unter Zuhilfenahme
der Stromrichter-Synchronmaschine mit Drehfelderregung hochgefahren werden.