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Verfahren zur Erregung von Kommutatormaschinen, die mit Induktionsmotoren
in Kaskade geschaltet sind. Es ist bekannt, eine aus Induktionsmotor und Kommutatornebenschlußmaschine
bestehende Kaskade bei synchroner Drehzahl arbeiten zu lassen, indem man die Erregerwicklung
der -Kommutatormaschine durch einen vom Netz aus gespeisten Frequenzumformer erregt,
der mit dem Hauptmotor synchron läuft. Es ist ferner bekannt, bei vom Synchronismus
abweichenden Drehzahlen die Erregung der Kommutatormaschine entweder vom Frequenzumformer
oder von der Schleifringseite des Induktionsmotors aus oder aber von beiden in Reihenschaltung
zu speisen. Letztere Schaltung bietet vor den anderen wesentliche Vorteile. Soll
nämlich der Hauptmotor bei einer beliebigen Einstellung der Regelung (welcher also
eine bestimmte Leerlaufdrehzahl entspricht) bei Belastung gleich günstig arbeiten,
wie bei Leerlauf, so müssen Größe und Phase des Nebenschlußfeldes dabei annähernd
konstant bleiben. Für jede Belastung stellt sich dann aber eine andere Drehzahl
und Frequenz im Rotorkreis ein, d. h. bei Belastungsänderung wechselt die Frequenz
und damit auch das Verhältnis von Widerstand zur Reaktanz im Erregerkreis. Die Phase
des Erregerfeldes kann also, solange nur eine Spannung konstanter Phase die Erregung
speist, nicht konstant gehalten werden. Nach Phase und Größe konstanter Erregerstrom
wird aber erreicht, wenn die Erregerwicklung : un zwei Spannungen in Reihe gespeist
wird, deren eine, mit dem Strom in Phase, dem Ohinschen Abfall dieses Stromes gleich
und von der Drehzahl unabhängig ist, während die andere, dem Strom um go ° voreilend,
der Schlupffrequenz proportional und so groß ist, daß sie bei jeder Drehzahl den
induktiven Abfall deckt. Die erste Bedingung erfüllt die richtig bemessene Spannung
des Frequenzumformers, die zweite Bedingung die richtig transformierte Schleifringspannung.
Bei Reihenschaltung beider Spannungen kann also erreicht werden, daß der einmal
eingestellte Erregerstrom bei beliebiger Änderung der Drehzahl seine Größe und Phase
beibehält.
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Es ist ferner bekannt, eine Kompoundierung des Aggregates dadurch
zu erreichen, daß durch einen Serientransformator in den Erregerstromkreis der Kollektormaschine
eine dem Rotorstrom der Kaskade und der Schlupffrequenz proportionale Spannung eingeführt
wird. Es ist schließlich bekannt, Phasenkompensation des Hauptmotors dadurch zu
erreichen, daß die Rotationspannung der Kommutatormaschine nicht genau in Gegenphase
zur Schleifringspannung, sondern um einen bestimmten Winkel dagegen phasenverschoben
eingestellt wird, indem der Erregung von den Schleifringen her außer der Spannung,
die eine in Gegenphase zur Schleifringspannung befindliche Rotationspannung bewirken
würde, eine dagegen um go'' verschobene Spannung zugeführt wird. Diese beiden letzten
Schaltungen versagen aber bei Synchronismus, da dann sowohl SchleifringsFannung
als Schlupffrequenz gleich Null sind. Die für Kompoundierung und Phasenkompensation
erforderlichen zusätzlichen Erregerströme verlangen bei Synchronismus zwar keine
induktive
Erregerspannung, r @,hl aber eine Spannung zur Überwindung
ihres Ohmschen Abfalls, die jedoch nicht vorhanden ist.
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Zweck der Erfindung ist nun, auch bei Synchronismus Kompoundierung
und Phasenkompensation zu ermöglichen, indem die zur Überwindung des Ohmschen Abfalls
der zusätzlichen Erregerströme notwendigen Spannungen über den Frequenzumformer
zugeführt werden, und zwar dadurch, daß entsprechend den im niederfrequenten Erregerkreis
vc m Rotorstrom und von der Potorspannung des Induktionsmotors induzierten Spannungen
gleichzeitig im hochfrequenten Erregerkreis (zwischen Frequenzumformer und Netz)
vom Primärstrom oder von der Primärspannung des Induktionsmütors oder von beiden
Größen Spannungen induziert werden, die sich genau oder angenähert zu den sekundär
induzierten Spannungen verhalten wie der OhmscheWiderstand zum induktivenWiderstand
des Erregerkreises. Wird außerdem dafür gesorgt, daß die im hochfrequenten Kreis
induzierten Spannungen, die durch den Frequenzumformer in gleicher Größe auf den
niederfrequenten Kreis transformiert werden, hier gegen die unmittelbar im niederfrequenten
Kreis induzierten Spannungen etwa go - nacheilen, so ist auch für die durch Kompoundierung
und Phasenkompensation erforderten zusätzlichen Erregerströme die Bedingung erfüllt,
daß bei jeder Schlupffrequenz, auch bei Frequenz 1u11, der Ohmsche Abfall über den
Frequenzumformer und der induktive Abfall von den Schleifringen aus gedeckt wird.
Während z. B. ein im niederfrequenten Kreis eingeschalteter Serientransformator
mit hohem magnetischen Widerstand, der primär vom Rotorstrom durchflossen ist und
sekundär in Reihe zur Erregerwicklung liegt, in dieser eine Spannung induziert,
die dem Rotorstrom und der Schlupffrequenz Iroportional ist, wird durch einen im
hochfrequenten Kreis (konstante Frequenz) liegenden Serientransformator, der primär
vom primären Strom des Induktionsmotors durchflossen ist und sekundär in Reihe zum
Frequenzumformer liegt, eine nur dem primären Strom der Kaskade proportionale Spannung
in. den Erregerkreis eingeführt.
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Die Schaltung sei an Hand des Ausführungsbeispiels nach Abb. i näher
erläutert. Dort bedeutet i ein Dreiphasennetz, -a den Induktionsmotor (Vordermotor
der Kaskade), 3 die Kollektormaschine (Hintermotor der Kaskade), .4 einen Frequenzumformer,
welcher über den Transformator 5 vom Netz i gespeist wird; ferner bedeuten 6 die
Schleifringe des Induktionsmotors 2, 7 die Erregerwicklung der Kollektor. maschine
3, 8 die Kompensationswicklung der Kollektormaschine 3, g die Schleifringe des Frequenzumformers
q., io den Kollektor des Frequenzumformers q., 11 den KcmI( undtransf, rmator im
sekundären Stromkreis, 12 einen Kompoundtransformator im primären Stromkreis, 13
den Erregertransformator, an dessen Stelle auch eine von der Spannung der Schleifringe
6 aus erregte Erregermaschine treten könnte.
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Der Antrieb des Frequenzumfc;rmers erfolgt vorteilhaft von dem Induktionsmotor
aus, weil seine Sekundarfrequenz stets mit der Schlüpffrequenz übereinstimmen soll.
Die Erregerwicklung 7 der Kollektormaschine wird von dem an die Schleifringe 6 angeschlossenen
Erregertransformator 13, gleichzeitig aber auch von dem Frequenzumformer 4. gespeist.
In den durch 13, 7 und 4 gebildeten Erregerkreis wird durch den Kompoundtransformator
ii eine dem Rotorstrom und der Rotorfrequenz proportionale Spannung eingefügt. Der
Kcmpoundtransformator ii ist primär vom Rotorstrom der Kollektormaschine 3 durchflossen.
Um nun die Kompoundierung auch im Synchronismus und in dessen Nähe wirksam zu erhalten,
sind erfindungsgemäß in Abb. i in dem am primären Netz liegenden Stromkreis des
Frequenzumformers Spannungen eingefügt, welche sich zu der vom Rotorstrom des Induktionsmotors
im niederfrequenten Erregerkreis induzierten SFannung verhalten, wie der Ohmsche
U'iderstand des gesamten Erregerkreises zu seinem induktiven Widerstand. Da nun,
wie bereits erwähnt, die vom Kompoundtransformator ii im Rotorkreis eingefügte Spannnung
proporticnal dem Rotorstrom und der Rotorfrequenz ist, so muß die im primären Kreis
einzufügende Spannung allein dem Rotorstrom proportional sein. In dem in der Abb.
i dargestellten Falle ist demnach zur Deckung der Ohmschen Verluste der Kompoundtransformator
12 vorgesehen, dessen Primärstrom der Primärstrom des Induktionsmotors ist, wobei
zu beachten ist, daß dieser Primärstrom annähernd proportional dem Rotorstrom des
Motors ist. Der Transformator 5 und der Kompoundtransformator 12 sind gewissermaßen
das verkleinerte Spiegelbild des Transformators 13 und des Kompoundtransformators
ii.
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Gleiche Überlegung gilt für die zum Zweck der Phasenkompensation einzuführende
Spannung. Vorausgesetzt ist dabei, daß der primäre Strom des Induktionsmotors dem
sekundären entgegengesetzt gleich sei, und daß die primäre Spannung gleich der sekundären,
dividiert durch den Schlupf, sei. Beide Annahmen stimmen nicht genau. Der Primärstrom
unterscheidet sich vom sekundären Strom um den 1lagnetisierungstrom. Da im niederfrequenten
Kreis eine dem Sekundärstrom. und der Schlupffrequenz proportionale Spannung eingeführt
wird, sollte im hochfrequenten Kreis eine nur dem Sekundärstrom proportionale Spannung
eingeführt.werden. Die wirklich eingeführte SFannung,
die dein Primärstrom
proportional ist, unterscheidet sich also von der verlangten Spannung um einen konstanten
Betrag, und dieser Betrag kann nötigenfalls durch einen '; ebenschlußtransformator
eingeführt werden, der priniär an der Netzspannung, sekundär in Reihe zum hochfrequenten
Kreis des Frequenzümformers liegt. Bei der zum Zweck der Phasen-Kompensation eingeführten
Spannung wird der Unterschied zwischen Primär- und Sekundärspannung durch den dem
Strom proportionalen Spannungsabfall im Induktionsmotor bewirkt; dieser Unterschied
kann somit durch eine dein Strom des Induktionsmotors proportionale Spannung im
hochfrequenten Kreis des Frequenzumformers ausgeglichen werden.
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In Abb. 2 ist ein Ausführungsbeispiel zur Erläuterung der Phasenkompensation
dargestellt. Die Bezeichnungen sind die gleichen wie in Abb. i. Ferner stellt 14
einen F.ilfstränsformater dar, welcher in den aus rd, 7 und 4. gebildeten Erregerkreis
eine der Schlüpfspannung und der Schlüpffrequenz proportionale Spannung einfügt,
deren Phase so gewählt ist, daß sie zur Kompensation der primären Phasenverschiebung
des Induktionsmotors dient. Diese Spannung ist aber im Synchronismus gleich Null:
sie allein wäre also nicht imstande, die Phasenkompensation im Synchronismus aufrechtzuerhalten.
Zu diesem Zweck wird wieder in den Primärkreis des Frequenzumformers eine Spannung
eingefügt, die sich zu der im Sekundärkreis vom Transformator 14 induzierten, auf
Phasenkompensation wirkenden Spannung verhält wie der Ohmsche Widerstand des Erregerkreises
zum induktiven Widerstand dieses Kreises. Da nun die im Transformator 14 induzierte
Spannung nur der Schlupffrequenz proportional ist, muß die erfindungsgemäß in den
Primärkreis des I#requenzumformers einzufügende Spannung konstant und unabhängig
von der Schlupffrequenz sein. Ferner muß ihre Phase gegenüber der dem Frequenzumformer
zugeführten Hauptspannung des Transformators ebenso verschoben sein wie die Phase
der Hilfsspannung des Transformators 14. gegenüber der 1?rregerspannung des Transformators
13. Diese primär zugeführte Hilfsspannung kann z. B. dadurch gewännen werden, daß
auf den Schenkel des Transformators 5 Zusatzspulen 15 angebracht sind, die so in
Zickzack geschaltet sind, daß die gewollte Größe und Phase der Zusatzspannung erreicht
wird. Bei dieser Schaltung (leckt die primäre Zusatzspannung den Ohmsehen Abfall
des die Phasenkompensation bewirkenden Erregerstromes, der also auch im Synchr@-,nismtis
erhalten bleibt. Zum Ausgleich des Phasenunterschiedes der Primärspannung von der
Sekundärspannung dient der Hilfskompoundtransformator 16, dessen Sekundärspannung
proportional dem Belastungsstrom der Kaskade ist. Bei Leerlauf ist der Phasenunterschied
der beiden Spannungen nahezu gleich Null; er wächst mit der Belastung. Aus diesem
Grunde ist der Hilfskom-1 oundtransformator 16 zum Ausgleich dieses Phasenunterschiedes
für die im Erregerkreis wirkenden Spannungen. geeignet, und ihm fällt daher bei
dieser Einrichtung eine andere Rolle zii als dem Transformator 72 in Abb. i.