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Selbsttätige Regelung der übertragenen Leistung von Motorgeneratoren
zur Kupplung zweier Wechselstromnetze, die aus zwei mechanisch gekuppelten Induktionsmaschinen
mit beiderseits in den Schlupfstromkreisen arbeitenden regelbaren Kommutatormaschinen
bestehen Zur Kupplung von Wechselstromnetzen schwankender Frequenz sind Umformer
vorgeschlagen worden, bestehnd aus zwei miteinander mechanisch gekuppelten Induktionsmaschinen,
die in ihren Schlupfstromkreisen jeweils auf regelbare Kommutatorhintermaschinen
arbeiten. Man ist bei solchen Einrichtungen in der Lage, den Energiefluß zwischen
den beiden Netzen willkürlich am Umformer von Hand oder selbsttätig zu regeln.
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Die ständig sich steigernden Netzleistungen haben nun zur Folge, daß
beim Bau solcher Umformer die Ausführung der Kommutatorhintermaschine Schwierigkeiten
macht. Da bei einer Kommutatorhintermaschine pro Polpaar überhaupt nur eine ganz
beschränkte Leistung untergebracht werden kann, so war man bisher gezwungen, bei
größeren Leistungen die Polpaarzahl wesentlich zu erhöhen. Infolgedessen muß aber
der Umformer für niedrige, das heißt unwirtschaftliche Drehzahlen bemessen werden.
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Die vorliegende Erfindung offenbart nun ein einfaches Mittel zur günstigen
Bemessung der Kommutatorhintermaschine bei solchen Umformern. Erfindungsgemäß erfolgt
eine selbsttätige Regelung der übertragenen Leistung von Motorgeneratoren, die zur
Kupplung zweier Wechselstromnetze schwankender Frequenz oder schwankender Leistungsübetragung
dienen, in solcher Weise, daß die Drehzahlcharakteristiken der beiden Umformerhälften
in Abhängigkeit von der Belastung oder Frequenz um näherungsweise oder genau denselben
Betrag invers zueinander verstellt werden. Treten Frequenzschwankungen auf, so wird
die Drehzahl in Abhängigkeit von den beiden Netzfrequenzen genau oder näherungsweise
auf das arithmetische Mittel der gerade auftretenden Frequenzen selbsttätig eingestellt;
treten Leistungsschwankungen auf, so wird die Drehzahl auf das arithmetische Mittel
von solchen Leerlaufsdrehzahlen der beiden Umformerhälften eingestellt, die der
zu übertragenden Leistung entsprechen. Inwieweit durch dieses Verfahren tatsächlich
die beste Bemessung derKommutatorhintermaschine möglich ist, geht aus den nun folgenden
Betrachtungen sowie aus den beigegebenen Diagrammen (Abb. 2, 3 und 4) hervor. Der
Regelbereich und die Größe der Vordermaschine bestimmen die Bemessung der Hintermaschine.
Beträgt
gelung ausführen, braucht deshalb nur für den halben Drehzahlregelbereich
wie früher bemessen zu werden.
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Diagramm 4 (Abb. 4) zeigt die Verhältnisse für Netze mit auftretender
Frequenzdifferenz. Sind die Frequenzen zunächst gleich, so wird bei einer bestimmten
Drehzahl nI die gewünschte Leistung a übertragen. Die Kennlinien der beiden Hälften
des Umformers sind I und I'. Steigt nun z. B. in dem einen Netz die Frequenz um
c, so verschiebt sich die Charakteristik des ersten Satzes auf Gerade 3 um c. Der
erste Satz versucht zunächst die verhältnismäßig große Leistung b zu übertragen,
und das Aggregat strebt ähnlich wie im Diagramm 2 einer Drehzahl n2 zu, bei der
wieder Motorleistung auf der einen und Generatorleistung auf der anderen Seite sich
die Waage halten. Für diese Drehzahl n2 soll eine Leistung b' sich einstellen. Es
ist klar, daß diese Leistung b' noch unerwünscht groß sein kann. Man kann die zulässige
Leistungsübertragung nun je nach den sich bietenden Regelmöglichkeiten, d. h. je
nachdem nur die eine Kaskade regelbar gemacht ist oder ob beide Kaskaden mit Regelvorrichtungen
versehen sind, auf zwei verschiedene Arten erzielen. Kann man nur die eine Kaskade
regeln, so muß man mit Hilfe der Erregung der Kommutatorhintermaschine die Charakteristik
3 wieder auf I zurückführen. Der Regelbereich der Kommutatormaschine ist dann entprechend
der Größe c der Verschiebung der beiden Charakteristiken zu bemessen. Die Drehzahl
bleibt auf nI stehen. Benutzt man aber den Gedanken der Erfindung, so kann man jede
Kaskade zur Hälfte an dem Regelvorgang teilnehmen lassen, indem man die Charakteristik
3 des ersten Satzes auf die Linie 2 und die Charakteristik des zweiten Satzes I'
auf eine neue Charakteristik 3' überführt. Die dabei sich wieder einstellende Drehzahl
n2 entspricht hierbei der mittleren Frequenz der beiden Netze. Es ist klar, daß
in diesem Falle jede Kommutatorhintermaschine nur für einen Drehzahlregelbereich
bemessen zu werden braucht, welche der Größe der Verschiebung von 3 gegen 2 bzw.
der Verschiebung
von 3' gegen I' entspricht.
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Damit ist erwiesen, daß man im Falle einer solchen Regelung mit Hintermaschinen
der halben Leistung einen Umformer von derselben Größe beherrschen kann wie vorher.
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Die selbsttätige Regelung gemäß den Dia- I grammen 3 und 4 kann in
bekannter Weise in Abhängigkeit von Frequenzrelais, Leistungsreglern, Eilreglern,
Stufentransformatoren usw. mit Hilfe der Änderung der Erregung der Kommutatorhintermaschinen
erfolgen. Hierbei werden I vorteilhaft die Regelvorgänge an beiden Umformerhälften
in gegenseitige Abhängigkeit vondie Leistung der Vordermaschine L und der Schlupf
s, so ist die Hintermaschine für die Leistung L ß s zu bemessen. In den
Diagrammen 2 bis 4 ist nun die Drehzahl jedesmal in Abhängigkeit von der Leistung
angegeben. Jedes Diagramm wird durch eine symmetrisch liegende Ordinatenachse in
zwei Teile geteilt, von denen der eine Teil (rechts) das Verhalten der ersten Maschine
und der zweite Teil (links) das Verhalten der zweiten Maschine kennzeichnet. Eine
durch die Mitte jedes Diagramms für den Punkt L = O gezogene Ordinate teilt jedes
Diagramm wiederum in zwei Teile, wobei immer der rechts gelegene Teil das Arbeiten
als Motor und der links gelegene Teil das Arbeiten der Maschine als Generator kennzeichnet.
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Diagramm 2 (Abb. 2) behandelt zunächst den Fall, daß kein Unterschied
in den Frequenzen der beiden Netze besteht und nur eine Hälfte des Umformers mit
einer Regelvorrichtung der beschriebenen Art versehen ist, während die zweite Hälfte
nicht geregelt werden kann. Ohne Leistungsübertragung wird das Verhalten der beiden
Maschinen durch die Charakteristiken I und I' gekennzeichnet, wobei die Drehzahl
nI ist. Durch Veränderung der Erregung der Kommutatorhintermaschine wird nun dem
einen Satz die Charakteristik 2 erteilt. Der Satz I wird jetzt bestrebt sein, eine
Leistung von der Größe b' zu übertragen. Er wird also jetzt als Motor mit einem
Drehmoment entsprechend b' auf den zweiten Satz einwirken, so daß sich der ganze
Umformer nunmehr zu beschleunigen beginnt. Ein Gleichgewichtszustand wird eintreten,
wenn eine Drehzahl n2 erreicht wird, bei der die Leistungsaufnahme der einen Umformerhälfte
in der Höhe von a gleich groß der Leistungsabgabe der zweiten Maschine, die als
Generator wirkt, geworden ist. Die Kommutatorhintermaschine muß hierbei für einen
Drehzahlregelbereich bemessen werden, welcher der Verschiebung c der Charakteristik
I nach 2 entspricht.
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Für Diagramm 3 (Abb. 3) soll der Umformer auf beiden Seiten mit Drehzahlregel
vorrichtungen ausgerüstet sein. Die Frequenz der beiden Netze ist wieder als gleich
angenommen; I und I' sind wieder die Kennlinien der beiden Regelsätze für den Fall,
daß keine Leistungsübertragung stattfindet. Regelt man jetzt jede Hälfte des Umformers
besonders, so kann man die gewünschte Leistung a bei derselben Drehzahl ,cl übertragen,
indem man für die erste Hälfte des Umformers die Charakteristik i nach 2 und für
die zweite Hälfte .des Umformers i' nach 2' verlegt. Es ist ohne weiteres klar,
daß die Größe der Verschiebnng der Charakteristik in diesem Falle nur beträgt. Jede
von den beiden Kommutatormaschinen,
welche diese Reeinander
gebracht, und zwar so, daß invers zu der
Regelung der einen Umformerhälfte auch die andere Hälfte geregelt wird. Je nach
den Frequenzverhältnissen der Netze kann die Regelung nur im untersynchronen Bereich
als Doppelzonenregelung oder als kombinierte Regelung ausgeführt werden.
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Wenn die Höhe der Frequenzschwankung in dem einen Netz beträchtlich
von derjenigen des anderen Netzes abweicht, kann man die Maschinen dadurch noch
günstiger bemessen, daß man die Polzahlen der Induktionsmaschinen für synchrone
Drehzahlen bemißt, die von denjenigen der Grundfrequenzen der beiden Netze abweichen.
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Zweckmäßig wird hierbei eine synchrone Drehzahl entsprechend der Mitte
des von den Frequenzschwankungen umfaßten Bereiches gewählt werden.
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Während bei bekannten Einrichtungen der Umformer bisher nur teilweise
zur Blindleistungserzeugung herangezogen wurde, kann man nach der Erfindung diese
so weit steigern, daß eine Scheinleistung erzeugt wird, die der Modellleistung der
Hauptmaschinen bei allen Drehzahlen und Belastungen entspricht. Dies ist deshalb
möglich, weil durch die Regelung auf das arithmetische Mittel der Grenzdrehzahlen
die Läuferfrequenzen auf den kleinstmöglichen Wert gebracht werden und die erzeugte
Blindleistung bekanntlich bei Läufererregung im Verhältnis von Schlupffrequenz zu
Ständerfrequenz geringer wird.
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Die Anordnung bedarf zur Regelung der Blindleistung jener besonderen
Art von Kommutatormaschinen, die neuerdings als fremderregte kompensierte Kommutatormaschinen
mit besonderen Möglichkeiten zur Regelung der Blindleistung bekanntgeworden sind.
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Um die Wirkung plötzlich auftretender Frequenz- und damit Belastungsschwankungen
auf die Maschinengruppe abzudämpfen, kann mit Hilfe bekannter Mittel jeder Satz
kompoundiert werden, z. B. durch Kompoundtransformatoren, zusätzliche Erregerwicklungen,
Widerstände u. dgl. mehr. Man erreicht hierdurch bei solchen Stößen einen sanften
Übergang von einer Drehzahl zu andern; ohne Kompoundierung würden wegen der zur
Auswirkung der Regelvorgänge nötigen Zeit harte Stöße auf den Umformer unausbleiblich
sein.
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Die Abbildung zeigt einen Umformer der gemäß der Erfindung eingestellt
werden kann. An das Netz I ist eine asynchrone Drehfeldmaschine 3 ständerseitig
angeschlossen, deren Läuferkreis mit einer Kommutatormaschine 5 beliebiger Art in
Kaskade geschaltet ist. Diese wird von einer beliebigen Stromquelle in an sich bekannter
Weise erregt. Mit der Maschine 3 ist die Drehfeldmaschine 4 mechanischgekuppelt,
deren Ständer am Netz 2 liegt und deren Läufer mit der ebenfalls in beliebiger Weise
erregten Kommutatormaschine 6 in Kaskade geschaltet ist.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist nicht beschränkt auf einen Umformer
für Netze, von denen jedes besonders gespeist ist, sondern läßt sich auch anwenden
auf den Fall, daß der Umformer selbst zur Speisung des einen Netzes dient.