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Verfahren zur Regelung von synchronen Frequenzumformern, insbesondere
für Drehstrom höherer und Einphasenstrom geringerer Frequenz Um einen Wechselstrom
von gegebener Frequenz in einen Wechselstrom von anderer Frequenz umzuformen, sind
bereits Maschinen angegeben worden, in denen Motorteil und Generatorteil vereinigt
sind. Für die praktische Ausführung derartiger Frequenzumformer kommt im allgemeinen
die synchrone Ausbildung sowohl im Motorteil als im Generatorteil in Betracht. Alsdann
kann für beide Teile eine gemeinsame Erregerwicklung verwendet werden, wie sie beispielsweise
in der Patentschrift 307 1¢z erläutert ist.
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Diese Frequenzumformer sind von besonderer Bedeutung für den Fall,
daß aus einem Verteilungsnetz mit 50 Perioden Drehstrom für den Betrieb elektrischer
Bahnen ein i 6-2/speriodiger Einphasenstrom gewonnen werden soll. In Bahnnetzen
läßt man aber die Drehzahl der Generatoren im Kraftwerk trotz der damit verbundenen
Frequenzänderung bei Belastungsstößen gern abfallen, um die Schwungmassen zur Deckung
der Belastungsspitzen heranzuziehen. Wenn der Frequenzumformer zur Kupplung eines
Bahnnetzes mit einem anderen Verteilungsnetz benutzt wird, während beide Netze im
übrigen unabhängig gespeist werden, ist es daher erwünscht, dem einen Teil des Frequenzumformers
dauernd oder zeitweise trotz der synchronen Ausbildung einen asynchronen Charakter
zu geben. An sich kommt dafür der Einphasenteil ebensogut wie der Drehstromteil
in Betracht. Zweckmäßig gibt man jedoch dem Drehstromteil den asynchronen Charakter,
da es dann möglich ist, die Schwungmasse des Umformers auszunutzen, was bei asynchronem
Charakter des Einphasenteiles nicht ohne weiteres der Fall sein würde. Auch würde
eine Schlüpfung des Feldes geringer Polzahl gegen den Anker einen stark pulsierenden
Rückwirkungsstrom hervorrufen, der in der Erregermaschine unerwünschte Nebenwirkungen
zur Folge hätte. Es ist darum vorteilhafter, den Drehstromteil schlüpfen zu lassen,
da dann im Induktor ein reiner Drehstrom von kleiner Frequenz sich ergibt, den die
Erregermaschine ohne weiteres aufnehmen kann.
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An sich ist es allerdings bereits bekannt, bei Frequenzumformern die
Drehgeschwindigkeit durch die Frequenz eines dem Feld des Regelteiles aufgedrückten
Mehrphasenstromes zu beeinflussen. Bei diesen bekannten Umformern ist der dem Regelteil
aufgedrückte Feldstrom aber unter allen Umständen ein Mehrphasenstrom, während nach
der Erfindung der Mehrphasenstrom im Falle des synchronen Betriebes in einen Gleichstrom
übergeht. Abgesehen von sonstigen Vorteilen für die Regelung selbst, wird es dadurch
ermöglicht, auch den Regelteil des Umformers in synchroner Bauart auszuführen. Um
dem Drehstromteil des Frequenzumformers einen asynchronen Charakter verleihen zu
können, muß die gemeinsame Induktorwicklung
nach der Patentschrift
307 142 etwas abgeändert werden. Sie muß für den Drehstromteil dreiphasig sein,
während für den Einphasenteil eine einphasige Ausführung genügt. Diesem Zwecke dienen
bei dem angenommenen Frequenzverhältnis 3 : i drei dreiphasige Sternwicklungen,
die gleichmäßig, also um je 40', gegeneinander verschoben sind. Die äußeren Enden
der neun Sternzweige sind in drei Gruppen derart vereinigt, daß jeweils die Enden
dreier benachbarter und somit den verschiedenen Sternen zugehöriger Zweige miteinander
verbunden sind. An zweien dieser Verbindungen wird der Erregerstrom für das Feld
geringer Polzahl zugeführt, während der Erregerstrom für das Feld hoher Polzahl
über die drei Sternpunkte angeschlossen wird, wobei er für die verschiedenen Sternpunkte
nach Größe und Richtung verschieden eingestellt werden und gegebenenfalls auch während
des Betriebes verändert werden kann.
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. Zur Einstellung der Teilströme des Erregerstromes für das Feld hoher
Polzahl kann einfach eine Mehrzahl von Erregermaschinen verwendet werden. Statt
dessen läßt sich aber -auch eine gemeinsame Erregermaschine verwenden, wie sie im
Patent 356920 für die Erregung des Feldes geringer Frequenz bei Frequenzumformern
angegeben worden ist. Die gewünschte Schlüpfung des Induktorfeldes wird dabei einfach
in der Weise erhalten, daß der in dem genannten Patent erläuterte Widerstandsregler
fortlaufend in einem bestimmten Sinne verstellt wird.
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In Abb. i ist ein Ausführungsbeispiel unter Zugrundelegung eines Frequenzverhältnisses
3 : i veranschaulicht. A ist dabei die gemeinsaure Induktorwicklung des Frequenzumfor
mers, B die Erregermaschine für das Feld hoher Polzahl und C der Regelapparat, dessen
Verstellung die gewünschte Schlüpfung des Induktorfeldes bewirkt. Die- Induktorwicklung
A besteht aus drei geeneinander verschobenen dreiphasigen Sternwicklungen arbi cl,
a2-b2-c2, a3-bs-cs, und die freien Enden der Phasenwicklungen ui, a2, a3, bi,
b2, Irs und cl, c2, c3 sind je miteinander verbunden. Die drei Sternpunkte
dl, d2, d3 sind je mit einer der Bürstenei, -e2, es verbunden, die um i 2o° gegeneinander
versetzt auf dem Kollektor t der ErregermaschineB schleifen. Der Feldkörper dieser
Maschine B weist drei gleichfalls um izo° gegeneinander verschobene Pole auf, welche
durch die in Stern geschalteten Wicklungen g1, g2, gs erregt werden. Die freien
Enden der Wicklungen g1,. ä2, g. sind je in der Mitte eines Widerstandes hl, h2,
hs des Regelapparates C angeschlossen. Die Widerstände erstrecken sich' kreisförmig
je über i8o° und liegen um i2o° ! gegeneinander versetzt. Auf dieser Kreisbahn laufen
die beiden einander gegenüberliegenden Kontakte il, 12, über welche ihnen der Erregergleichstrom
zugeführt wird.
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Für die in der Zeichnung angegebene Steli lung des Regelapparates
C ist die Bürste e2 der Erregermaschine B stromlos und ergibt sich in der Induktorwicklung
A für den Erregerstrom des Feldes hoher Polzahl der durch Pfeile bezeichnete Verlauf.
Das ändert sich, sobald der Regelapparat C verstellt wird. Nach einer Verschiebung
der Kontakte il, i2 um i2o° im Uhrzeigersinn wird die Bürste ei, nach einer weiteren
Verschiebung um i2o°, die Bürste e2 stromlos. Dementsprechend tritt abwechselnd
in. den Sternwicklungen al-bi cl, a2-b2-c2 und a.3-bB-c.3 kein Strom auf. Für eine
vollständige Umdrehung der Kontakte!" 1" ergeben sich sonst in den verschiedenen
Sternwicklungen der Induktorwicklung A für das Feld hoher Polzahl nacheinander die
gleichen Verhältnisse. Der Erregergleichstrom für das Feld geringer Polzahl wird
beispielsweise bei k1 und k.> der Induktorwicklung A zugeführt und von einer besonderen
Stromquelle geliefert.
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Besonders günstig ist es, eine Erregermaschine zu verwenden, die statt
mit Fremderregung mit Nebenschlußerregung ausgeführt ist. Die Schaltung einer derartigen
Maschine ist in der Abb.2 veranschaulicht. ei, e2, es sind wieder die Erregerbürsten
für das Feld hoher Polzahl des Umformers, g1, g2, gs die Feldwicklungen. Bei einer
derartigen Maschine muß im Gegensatz zu der fremderregten Maschine nach Abb. i die
Stromart in der Feldwicklung stets die gleiche sein, wie in der Ankerwicklung. Wird
das Feld mit Gleichstrom erregt, so ist der von ihm im Anker erzeugte Strom wiederum
ein Gleichtrom, ist dagegen der Ankerstrom ein Wechselstrom irgendeiner Frequenz,
so wird auch das Feld mit Wechselstrom dieser Frequenz erregt und durch dieses mit
Wechsel strom erregte Feld im Anker ein Wechselstrom der gleichen Frequenz hervorgebracht.
Wenn der Maschine von außen eine bestimmte Stromart aufgezwungen wird, liefert sie
also ohne weiteres die gleiche Stromart. So gibt sie bei synchronlaufendem Umformer
Gleichstrom, beim Auftreten ;einer Schlüpfung aber Wechselstrom der betreffenden
Frequenz an die Induktorwicklung des Umformers ab.
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Andererseits kann die Stromart der Erregermaschine aber auch durch
Änderung der Bürstenstellung gegenüber der Feldwicklung beeinflußt werden. Da die
im Anker erzeugte Spannung immer räumlich senkrecht zum Feld steht, wird die Maschine
nur dann Gleichstrom hervorbringen, wenn ihre Bürsten
ei,
e2, e3 je um go' gegen die zugehörigen Wicklungen gl, g2, g3 verschoben liegen.
Beträgt der Verschiebungswinkel dagegen mehr oder weniger als go°, z. B. in der
Abb. z 6o°, so bedingt dies eine Wanderung des Feldes und damit das Auftreten von
Wechselstrom. Die Wanderungsgeschwindigkeit des Feldes und .dementsprechend die
Frequenz des erzeugten Wechselstromes ist dabei für eine bestimmte Maschine von
dem Verschiebungswinkel abhängig. Es ist infolgedessen möglich, durch die Einstellung
der Bürsten die Stromart und die Frequenz der Maschine nach Bedarf zu beeinflussen.
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Gegebenenfalls können die Wicklungen gi, g2, g3 an besonderen Hilfsbürsten
angeschlossen werden, so daß die Hauptbürsten ihre Lage nicht zu ,ändern brauchen.
Das ist vor allem wichtig, wenn die Maschine mit Wendepolen versehen ist und die
Hauptbürsten nicht aus der Zone der Wendepole verschoben werden sollen. Man kann
für diesen Zweck die Wicklungen gi, g, g3 aber auch über einen besonderen Regelapparat
anschließen.
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Um die Feldstärke konstant zu halten, kann man Schnellregler anordnen.
Im übrigen wird eine derartige Erregermaschine zweckmäßig nach Art der Wechselstromkollektormotoren
mit geblättertem Eisenkörper und kleinem Luftspalt gebaut.
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Der auf diese Weise mit asynchronem Charakter ausgeführte Teil des
Frequenzumformers kann über- oder untersynchron laufen und dementsprechend entweder
als Generator oder als Motor arbeiten.