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Schaltungsanordnung bei Kaskaden, bestehend aus Asynchronmaschine
und in deren Sekundärstromkreis eingeschalteter Kommutatorhintermaschine Bei Asynchronmaschinen
ist man in der letzten Zeit daran gegangen, mittels Kommutatorhintermaschinen die
Charakteristik in bestimmter Weise zu verändern, und zwar entweder derart, daß die
einmal eingestellte Leistung der Asynchronmaschine sich nicht mehr ändert, gleichgültig
mit welchem Schlupf die Maschine läuft, oder auch derart, daß die Leistung in einer
bestimmten einstellbaren Abhängigkeit zum Schlupf steht. Die erstgenannte Aufgabe
wird allgemein dadurch gelöst, daß mittels der Kommutatorhintermaschine in den Sekundärstromkreis
der Asynchronmaschine zwei Spannungen eingeführt werden, von denen die eine bei
jedem Schlupf gleich ist der in der Sekundärwicklung der Asynchronmaschine induzierten
Spannung und diese aufhebt, während die zweite Spannung vom Schlupf unabhängig ist
und den sekundären Belastungsstrom erzeugt. Zur Lösung der zweiten Aufgabe kann
man mittels der Kommutatorhintermaschine eine einstellbare Spannung erzeugen, die
ständig einen bestimmten Bruchteil der Sekundärspannung der Asynchronmaschine beträgt
und diese im Verhältnis dieses Bruchteils aufhebt. Der verbleibende Rest der Sekundärspannung
erzeugt dann den Belastungsstrom. Derartige Asynchronmaschinen können z.B. Verwendung
finden bei der Kupplung zweier Wechselstromnetze mittels eines Synchron-Asynchron-Umformers,
wobei die Asynchronmaschine dieses Umformers und die mit ihr verbundene Kommutatorhintermaschine
dafür sorgen, daß die von einem auf das andere Netz übertragene Leistung bei gegenseitigen
Frequenzschwankungen konstant bleibt oder auch in einem bestimmten, beliebig einstellbaren
Verhältnis sich ändert.
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Eingehende Untersuchungen haben gezeigt, daß die gestellten Aufgaben
in der oben geschilderten Weise noch nicht befriedigend gelöst werden können, weil
im Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine und in den Stromkreisen der Kommutatorhintermaschine
verschiedene Nebenumstände sich bemerkbar machen, die eine Regelung der Asynchronmaschine
in der vorbeschriebenen Weise verhindern. Zunächst wird infolge der magnetischen
Streuung durch den sekundären Belastungsstrom der Asynchronmaschine eine Streuspannung
erzeugt, die erstens dem Strom selbst proportional ist und zweitens der Schlupffrequenz,
und die, da sie durch keine Gegenspannung aufgehoben ist, die Größe des Belastungsstromes
in unerwünschter Weise ändert. In gleicher Weise weicht
auch bei
ständererregten Kommutatorhintermaschinen die Kommutatorspannung der Hintermaschine
von ihrem Sollwert um einen dem Quadrate der Schlüpfung proportionalen Wert ab,
sofern die Kommutatorhintermaschine, wie dies meistens der Fall ist, mit der asynchronen
Vordermaschine mechanisch gekuppelt ist und daher nicht mit genau konstanter Drehzahl
läuft. Ein weiterer Störungsfaktor entsteht dann, wenn man die Erregerwicklung im
Ständer der Kommutatorhintermaschine zwecks Erregung mit einer dem Schlupf proportionalen
Spannung an die Schleifringe der asynchronen Vordermaschine anschließt. In diesem
Falle weicht die Spannung an den Schleifringen der Asynchronmaschine infolge des
durch den Belastungsstrom hervorgerufenen Ohmschen Spannungsabfalles von dem Sollbetrage
ab. Speist man die Erregerwicklung der Kommutatorhintermaschine über Hilfsschleifringe
von einer Hilfswicklung im Sekundärteil der Vordermaschine, so ist zwar der schädliche
Einfluß des Ohmschen Spannungsabfalles beseitigt, es bleibt aber noch die gegenseitige
Induktion der sekundären Hilfs- und Hauptwicklung, wodurch die Streuspannnung der
Hauptwicklung auf die Hilfswicklung übertragen wird. Es ist ferner erforderlich,
der Schlupffrequenz führenden Erregerwicklung der Kommutatorhintermaschine zwei
Spannungen zuzuführen, von denen die eine proportional mit dem Erregerstrom anwächst
und den Ohmschen Spannungsabfall in der Erregerwicklung deckt, während die zweite,
gegenüber der ersten um 9o° verschobene Spannung einerseits proportional mit dem
Erregerstrom, andererseits proportional mit der Schlüpfung anwächst und den induktiven
Spannungsabfall in der Erregerwicklung aufhebt. Wird die Erregerwicklung nicht genau
in dieser Weise gespeist, dann tritt eine unzulässige Verschiebung der Phase des
Erregerfeldes ein.
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Die Erfindung betrifft eine Schaltung im Sekundärkreis einer Asynchronmaschine
und in den Erregerstromkreisen der angeschlossenen Kommutatorhintermaschine, die
alle die geschilderten Haupt- und Nebenerfordernisse berücksichtigt, so daß eine
vollkommene Regelung der Asynchronmaschine entweder auf konstante Leistung, unabhängig
vom Schlupf, oder auf, in Abhängigkeit vom Schlupf, beliebig einstellbarer Leistung
erreicht wird. Die Kommutatorhintermaschine ist dabei entweder mit der Asynchronmaschine
selbst oder mit einer besonderen Belastungsmaschine gekuppelt. Ihre Schlupffrequenz
führende Erregerwicklung im Ständer wird in bekannter Weise von einem an das Netz
angeschlossenen Frequenzwandler gespeist. Mittels eines zwischen dem Netz und dem
Frequenzwandler eingeschalteten regelbaren Transformators kann, sofern die Leistung
der Asynchronmaschine vom Schlupf unabhängig sein soll, diese Leistung eingestellt
werden. Ebenso kann die Phasenkompensierung der Asynchronmaschine mittels eines
zweiten, mit dem ersten in Reihe geschalteten Transformators geregelt werden, wobei
die Spannung dieses zweiten Transformators infolge seiner Schaltung in bekannter
Weise gegenüber der Spannung des ersten um 9o° verschoben ist. Zur Aufhebung der
induktiven Streuspannung des Sekundärstromkreises der Asynchronmaschine ist ein
ebenfalls in seiner Wirkung bekannter Stromtransformator vorgesehen, dessen eine
Wicklung in den Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine und dessen zweite Wicklung
in den Erregerstromkreis der Kommutatorhintermaschine eingeschaltet ist, derart,
daß die Kommutatorhintermaschine eine die Streuspannung aufhebende Gegenspannung
entwickelt. Erfindungsgemäß wird nun ein zweiter Frequenzwandler (Kommutatorfrequenzwandler
oder Asynchronmaschine) angeordnet, dessen Netzfrequenz aufweisende Spannung dem
ersten Frequenzwandler (zweckmäßig über einen Regeltransformator, dessen Sekundärwicklung
mit den an das Netz angeschlossenen obergenannten Transformatoren in Reihe geschaltet
ist) zugeführt ist, und in dessen Schlupffrequenz führenden Stromkreis eine proportional
mit der Schlüpfung anwachsende (zweckmäßig vom Sekundärteil der Asynchronmaschine
gelieferte) Spannung zur Erzeugung der dem Schlupf proportionalen Gegenspannung
im Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine eingeschaltet ist. Zur Aufhebung des
induktiven Spannungsabfalles der Erregerwicklung der Kommutatorhintermaschine ist
in den Stromkreis dieser Wicklung ein zweiter zweckmäßig regelbarer Stromtransformator
eingeschaltet, dessen Sekundärwicklung in den Schlupfstromkreis des genannten zweiten
Frequenzwandlers eingeschaltet ist, so daß durch diesen Stromtransformator über
den zweiten Frequenzwandler dem erstgenannten Frequenzwandler und damit der Erregerwicklung
der Kommutatorhintermaschine eine Spannung zugeführt wird, die einerseits proportional
dem Strom dieser Wicklung, andererseits proportional der Schlüpfung ist, so daß
sie bei richtig eingestellter Phase den induktiven Spannungsabfall der Erregerwicklung
aufhebt. Von den beiden Frequenzwandlern besitzt mindestens der eine eine Kompensationswicklung.
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Wenn @die Kommutatorhintermaschine mit der Vordermaschine mechanisch
gekuppelt
ist, so ist zur Aufhebung der durch die Drehzahländerungen
hervorgerufenen Änderungen der Kommutatorspannungen der Hintermaschine in den Schlupffrequenz
führenden Stromkreis des zweiten Frequenzwandlers noch eine mit dem Quadrate der
Schlüpfung anwachsende Spannung eingeschaltet. Sofern die Schlupffrequenz führende
Seite des zweiten Frequenzwandlers an eine Hilfswicklung im Sekundärteil der Asynchronmaschine
angeschlossen ist, so ist außerdem zur Aufhebung der von der sekundären Hauptwicklung
herrührenden, auf die Hilfswicklung induktiv übertragenen Streuspannung ein dritter
Stromtransformator vorgesehen, der einerseits in den Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine,
andererseits in den Schlupffrequenz führenden Stromkreis des zweiten Frequenzwandlers
eingeschaltet ist. Dieser Stromtransformator wird überflüssig, wenn der zweite Frequenzwandler
statt an eine Hilfswicklung an die Sekundärwicklung einer mit der Hauptmaschine
synchron laufenden, primär vom Netz gespeisten Hilfsasynchronmaschine angeschlossen
ist. In der Zeichnung ist die neue Anordnung an einem Beispiel veranschaulicht.
Es handelt sich um die Kupplung eines einphasigen I62/3periodigen Bahnnetzes I mit
einem normalen Drehstromnetz 2 von 50 Perioden. Es ist dazu ein Einphasensynchrongenerator
3 und mit diesem gekuppelt eine im Ständer dreiphasige Asynchronmaschine 4 vorgesehen.
Die Läuferwicklung der Asynchronmaschine ist zweiphasig ausgeführt, in jede Phase
ist eine einphasig durchgebildete Kommutatorhintermaschine 5 und 6 eingeschaltet.
Die beiden Kommutatorhintermaschinen sind mit der Hauptmaschine 4 mechanisch gekuppelt.
Sie besitzen im Ständer je eine Kompensationswicklung 7 und eine Erregerwicklung
B. Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit des Schaltungsschemas sind für die Stromkreise
der einzelnen Maschinen dreierlei Strichstärken gewählt. Der vom sekundären Belastungsstrom
der Asynchronmaschine durchflossene Stromkreis ist stark, der Erregerstromkreis
der Kommutatorhintermaschine mittelstark, die übrigen Erreger-und Hilfsstromkreise
sind schwach ausgezogen.
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Die Stromkreise der Erregerwicklungen 8 der Hintermaschinen sind elektrisch
leitend nur an den Kommutator des Frequenzwandlers 9 angeschlossen. Der Frequenzwandler
9 wird seinerseits über die beiden Transformatoren T4 und T5 vom Netze aus gespeist.
Der Frequenzwandler 9 besitzt im Ständer eine Kompensationswicklung Io, außerdem
wird sein Feld nicht ausschließlich von den Schleifringen aus mit Netzfrequenz erzeugt,
sondern es ist im Ständer noch eine Erregerwicklung II vorgesehen, die in Parallelschaltung
von den Bürsten des Frequenzwandlers mit Schlupffrequenz führendem Strom gespeist
wird. Man erreicht dadurch eine wesentliche Verringerung des den Schleifringen zugeführten
Magnetisierungsstromes, so daß auch die vorgeschalteten Regeltransformatoren T4
und T5 klein ausfallen. In den Stromkreis der Hilfserregerwicklung II sind noch
Ohmsche Widerstände I2 eingeschaltet, um eine Gleichstromselbsterregung am Frequenzwandler
zu vermeiden. Die beiden Transformatoren T4 und T5 sind in an sich bekannter Weise
derart geschaltet, daß sie zwei Spannungen erzeugen, die aufeinander senkrecht stehen,
und die unabhängig voneinander geregelt werden können. Die eine dieser Spannungen
dient zur Erzeugung einer bestimmten Leistung an der Maschine 4, während die zweite
auf die Phasenkompensation der Maschine 4 einwirkt.
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Zur ganzen oder teilweisen Aufhebung der Sekundärspannung der Asynchronmaschine
4 ist ein zweiter Frequenzwandler I3 vorgesehen, der einerseits über die Leitungen
I4 und I5 an Hilfsschleifringe I6 der Maschine 4 angeschlossen ist. Die Hilfsschleifringe
stehen mit einer nicht gezeichneten Hilfswicklung im Sekundärteil der Asynchronmaschine
in Verbindung. Andererseits ist die von dem Frequenzwandler I3 an seinen Schleifringen
entwickelte, Netzfrequenz führende Spannung über den Transformator T6 in den Netzfrequenz
führenden Stromkreis des Frequenzwandlers 9 eingeschaltet. Es wird daher die Spannung
an den Hilfsschleifringen I6 über die Frequenzwandler I3 und 9 den Erregerwicklungen
8 der Kommutatorhintermaschinen zugeführt, so daß diese Koinmutatorhintermaschinen
proportional dem Schlupf anwachsende Spannungen erzeugen, die die Sekundärspannungen
der Asynchronmaschine 4 ganz oder teilweise aufheben. Zur Einstellung dieser Spannungen
ist der Transformator T6 regelbar ausgebildet.
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Die beiden Frequenzwandler 9 und I3 werden von der Hauptmaschine 4
über ein ins Schnelle übersetzendes Zahnradgetriebe 2o angetrieben, so daß sie infolge
Verringerung der Polzahl sehr klein ausfallen.
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Zur Aufhebung des induktiven Spannungsabfalles an den Erregerwicklungen
8 ist ein zweiphasiger Transformator T2 vorgesehen. Dieser ist einerseits in den
Erregerstromkreis der Kommutatorhintermaschinen, andererseits in die Verbindungen
zwischen dein Frequenzwandler I3 und den Hilfsschleifringen 16 eingeschaltet. Dem
Frequenzwandler 13 wird daher auf seiner Schlupffrequenz führenden Seite
außer :der Spannung der Hilfsschleifringe 16 noch eine Spannung zugeführt,
die
einerseits proportional dem Strom in den Erregerwicklungen 8 ist, andererseits auch
proportional der Schlupffrequenz. Diese Spannung wird dann vom Frequenzwandler I3
über den Transformator T6 und den Frequenzwandler 9 in die Stromkreise der Erregerwicklungen
der Hintermaschinen eingeführt und hebt dort die induktive Gegenspannung auf. Die
Einstellung der richtigen Phase kann durch Verschiebung der Bürsten am Frequenzwandler
I3, durch entsprechende Schaltung des Transformators T2 oder durch seine Ausbildung
als Drehtransformator erzielt werden.
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Der Transformator T2 muß ständig eine Spannung erzeugen, die den induktiven
Spannungsabfall an den Wicklungen 8 gerade aufhebt. Da aber diese Spannung ebenso
wie die von den Schleifringen I6 entwickelte Spannung über den Transformator T6
geleitet wird und somit auch bei Einstellung der Charakteristik der Maschine 4 mittels
Regelung am Transformator T6 ebenfalls geändert wird, so muß diese Änderung der
für die Aufhebung des induktiven Spannungsabfalles dienenden Spannung durch Regelung
am Transformator T2 wieder rückgängig gemacht werden. Der Transformator T2 ist daher
regelbar ausgebildet.
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Zur Aufhebung des Einflusses der induktiven Streuspannungen im Sekundärstromkreis
der Asynchronmaschine 4 ist der an sich bekannte Stromtransformator T1 vorgesehen,
der einerseits in den Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine 4, andererseits in
die Erregerstromkreise der Kommutatorhintermaschinen eingeschaltet ist. Dadurch
werden mittels Beeinflussung der Erregung der Kommutatorhintermaschinen von diesen
in den Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine Spannungen eingeführt, die den induktiven
Streuabfall aufheben.
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Infolge der mechanischen Kupplung der Kommutatorhintermaschinen mit
der Maschine 4 weichen ihre Drehzahlen vom Sollbetrag um einen Wert ab, der proportional
dem Schlupf der Maschine 4 ist. Da die Sollspannungen der Kommutatorhintermaschinen
im wesentlichen proportional dem Schlupf sind, so sind die durch die Drehzahländerungen
bedingten Abweichungen dieser Spannungen vom Sollbetrag proportional dem Quadrate
des Schlupfes. Zur Aufhebung dieser störenden Abweichungen ist in den Schlupffrequenz
führenden Stromkreis des Frequenzwandlers I3 mit der Ständerwicklung eine Kommutatormaschine
I7 eingeschaltet. Diese Kommutatormaschine läuft mit einer dem Schlupf proportionalen
Drehzahl; sie ist dazu mit dem Asynchronmotor I8 gekuppelt, der primär an die Hauptschleifringe
der Maschine 4 angeschlossen ist, so daß er mit Schlupffrequenz gespeist wird. Die
Kommutatormaschine I7 wird außerdem mit einer dem Schlupf proportionalen Spannung
über den Kommutator im Läufer erregt. Es ist dazu ein Transformator T7 vorgesehen,
der primär an die Hilfsschleifringe I6 angeschlossen ist. Das von den Bürsten der
Maschine I7 zugeführte Drehfeld läuft in derselben Richtung und synchron mit der
Läuferwicklung um, so daß der Erregerstrom in der Läuferwicklung sich genau proportional
der Spannung des Transformators T7 ändert. Die Ständerwicklung der Maschine I7 wird
daher von einem Erregerfeld induziert, das sowohl bezüglich der Stärke als auch
bezüglich der Umlaufgeschwindigkeit proportional dem Schlupf ist. Dies ergibt eine
dem Quadrate des Schlupfes proportionale Spannung in der Ständerwicklung.
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Die von den Hilfsschleifringen I6 entwickelte Spannung weicht, wie
bereits erwähnt, von ihrem Sollbetrag insofern ab, als die Streuspannung in der
sekundären Hauptwicklung der Maschine 4 durch Induktion auch auf die Hilfswicklung
übertragen wird, namentlich wenn beide Wicklungen in denselben Nuten liegen. Um
auch diese störende Spannung aufzuheben, ist ein Stromtransformator T3 vorgesehen,
der einerseits in den Sekundärstromkreis der Maschine 4, andererseits in den Schlupf
frequenz führenden Stromkreis des Frequenzwandlers I3 eingeschaltet ist. Schließlich
kann noch folgende Störung beseitigt werden. Der Frequenzwandler 9 besitzt eine
Kompensationswicklung Io. In dieser wird durch Induktion eine Spannung erzeugt,
die einerseits proportional dem Erregerfeld, andererseits proportional der Schlüpfung
ist. Diese Spannung kann bei entsprechender Einstellung durch den Transformator
T2 ebenfalls mit aufgehoben werden, da auch die Spannung dieses Transformators sich
mit der Stärke des Stromes in den Erregerwicklungen 8 und mit der Schlupffrequenz
ändert.
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Die Transformatoren T1, T2 und T3 sind zweckmäßig als rückwirkungslose
Transformatoren ausgebildet, so @daß sie zwar die geforderten Spannungen in ihre
Sekundärstromkreise einführen, daß hingegen eine Rückwirkung des Sekundärstromes
auf .den Primärstromkreis im wesentlichen nicht stattfindet. Die Transformatoren
besitzen dann z. B. einen großen Luftspalt, so daß sie auch große Magnetisierungsströme
aufnehmen. Zur Einstellung der richtigen Phase der verschiedenen Spannungen können
;die genannten Transformatoren außerdem als Drehtransformatoren ausgebildet sein,
wobei die Aufhebung
der Rückwirkung durch Vergrößerung des Luftspaltes
in besonders einfacher Weise erreicht wird.