DE500385C - Anordnung zur Verhinderung der Selbsterregung einer Kaskade, bestehend aus einer Asynchronmaschine und einer Kommutatorhintermaschine - Google Patents

Description

Bei der bekannten Kaskadenschaltung von Asynchronmaschine und Kommutatorhintermaschine, bei welcher in der Hintermaschinie eine der Schleifringspannung des Hauptmotors annähernd proportionale und entgegengerichtete Spannung induziert wird, besteht die Gefahr der Selbsterregung, wobei sich im gesamten Stromkreis neben den der Netzspannung und der Netzfrequenz entsprechenden elektrischen und magnetischen Vorgängen, also neben dem netzerregtein Zustand, ein durch die Kaskadengruppe bestimmter selbsterregter Zustand anderer Frequenz ausbildet, also freie, ungedämpfte Schwingungen sich dem Stromkreise überlagern, welche, abgesehen vom Einfluß der durch sie verursachten magnetischen Sättigung, von der Netzspannung unabhängig sind. Diese Gefahr der Selbsterregung ist um so größer, je größer für einen gegebenen Wert der Schleifringspannung des Hauptmotors die ihr proportionale Spannungskomponente der Hintermaschine ist, weil dabei im allgemeinen mit wachsender Gegenspannung der Einfluß der Schleif ringspannung nicht nur für den netzerregten, sondern auch für den selbsterregten Zustand in steigendem Maße aufgehoben wird. Kommt dagegen die für den selbsterregten Zustand induzierte Schlupfspannung des Hauptmotors frei zur Wirkung, so läßt sie einen Strom !entsprechender Größe im Läuferkreis fließen, dessen Verlustleistung durch den selbsterregten Zustand erzeugt· werden muß, wodurch die Selbsterregung erschwert wird.

Wenn sich die Kaskadengruppe selbst erregt, müssen die den Verlusten des selbsf|- erregten Zustandes entsprechende Wirkleistung und die zum Aufbau des selbsterregten Feldes notwendige Blindleistung in der Gruppe erzeugt werden. Solange die in der Hintermaschinie induzierte Spannung gleich groß oder kleiner als die an ihren Klemmen bestehende Spannung, also kleiner als die SchleifringspaiHiuing des Hauptmotors ist, arbeitet die Hintermaschine nicht als Generator, sondern als Motor. Im allgemeinem wird man den Erregerkreis .1 der HimterJ· maschine, welcher die der Schleifringspanr nung proportionale Gegenspannung induziert, so einstellen, daß die Gegenspannung kleiner oder höchstens gleich der Schleifringspan:- nung ist. Durch ungenaue Einstellung des Kreises oder durch NebeneinfLüsse kann wohl für bestimmte Betriebszustände auch in diesem Fall die Gegenspannung größer als die Schleifringspannung werden, wodurch dann generatorische Arbeit der Hintermaschine ermöglicht wird. Wird von 'diesem Aua^: nahmefall abgesehen, so muß die dem selbst!- erregten Zustand entsprechende Wirkleistung in der Asynchronmaschine erzeugt werden; diese muß also als Generator arbeiten. Dies ist aber, solange ihrem Läuferkreis nicht vom.

der Hintermaschine Wirbleistung zugeführt wird, grundsätzlich nur möglich, wenn die Asynchronmaschine übersynchron läuft, wenn also die selbsterregte, in ihrer Ständerwicfclung bestehende Frequenz kleiner als ihre Rotationsfrequenz ist.

Die zum Aufbau des magnetischen Feldes der Asynchronmaschine notwendige Blindleistung muß dagegen im selbsterregten Zustand der Kaskade, ebenso wie im netzerregten Zustand der Kaskade, von außen zugeführt werden. Solange nicht etwa der Kurzschlußwiderstand des Netzes kapazitiv ist, muß diese Blindleistung in der Kommutatorhintermaschine erzeugt werden, die Asynchronmaschine muß also im selbsterregten Zustand durch die Hintermaschine kompensiert werden. Damit die Spannung der Hintermaschine kompensierend wirkt, muß sie bekanntlich gegenüber der Lage, in der sie der Schlupfspannung des Hauptmotors entgegengerichtet ist, im Sinne der Nacheilung verschoben sein. Das grundsätzliche Diagramm der Kaskadenschaltung von Asytuchronmaschine und Kommutatorhintermaschine zeigt demnach für den selbster regten Zustand unter Vernachlässigung aller Nebeneinflüsse Abb. i. OA ist der selbsterregte Induktionsfluß der Asynchronmaschine, der in deren Ständer- und Läuferwicklung die Spannungen OB₁ und OB₂ induziert. Da die Maschine gegenüber dem selbsterregten Feld übersynchron läuft, sind die in der Ständerund Lauf er wicklung induzierten Spannungen einander entgegengerichtet. OC ist der Ständerstrom, OD der durch ihn in der Ständerwicklung verursachte Ohmsche und induktive Spannungsabfall. DB₁ ist also die dem selbsterregten Zustand entsprechende Klemmenspannung der Asynchronmaschine, die sich der Netzspannung überlagert und gleich dem Spannungsabfall des selbsterregten Stromes im Kurzschlußwiderstand des Netzes ist. Ist OE der dem Fluß OA entsprechende Magnetisierungsstrom, so ist OF der Läuferstrom, sein Spannungsabfall im Läufer des Hauptmotors sei GS₂) ^und der im Läuferkreis der Hintermaschine sei HG. Da die Phasenfolge im Läuferkreis die _{ entgegengesetzte ist wie im Ständerkreis, ist für alle Größen des Läuferkreises der Drehsinn der Zeitlinie der entgegengesetzie wie für den Ständerkreis, also dem Uhrzeigersinn entgegengerichtet. HO ist also die Spannung, die in der Hintermaschine induziert werden muß, damit der dem Diagramm (Abb. 1) entsprechende selbsterregte Zustand bestehen kann, und OG ist die an den Schleifringen des Hauptmotors bestehende selbsterregte Spannung. Auch wenn im netzerregten Zustand in der Hintermaschine noch eine von der Netzspannung abhängige zusätzliche Spannungskomponente (z. B. unter Vermittlung eines Frequenzumformers) induziert wird, so wird diese Komponente im ; selbsterregten Zustand meist sehr klein, weil ja, wie aus Diagramm Abb. 1 folgt, die selbsterregte Klemmenspannung DB₁ klein gegenüber der der in der Asynchronmaschine induzierten Spannung ist. Die von der Netzspannung abhängige Spannungskomponente der Hintermaschine ist deshalb im folgenden ganz vernachlässigt.

Ist der Erregerkreis der Hintermaschine, welcher die der Schleifringspannung des Hauptmotors proportionale Spannungskomponente der Hintermaschine induziert, so geschaltet, daß bei allen möglichen Betriebszuständen diese Spannung der Schleifringspannung des Hauptmotors genau entgegengerichtet ist, so ist das Diagramm Abb. 1 und damit die behandelte Art der Selbsterregung nicht möglich. Voraussetzung für das Bestehen des Diagrammes ist ja ein Phasenverschiebungswinkel GOH zwischen der Schleifringspannung und der in der Hintermaschine induzierten Spannung. Im allgemeinen kann aber eine Phasenverschiebung von genau i8o° zwischen beiden Spannungen höchstens für einen bestimmten Wert der Schlüpfung erreicht werden, bei wechselnder Schlüpfung ,ändert sich durch den Einfluß von Störungsgliedern (vgl. S e i ζ : Die Kommutatorkaskade für konstante Leistung, Archiv für Elektrotechnik, 1928, Bd. XXl, Seite 237/238) vielmehr die Phasenlage der Gegenspannung gegenüber der Schleifring'-spannung des Hauptmotors, und zwar verschiebt sie sich oft mit wachsender Schlüpfung im Sinne der 1 Nacheilung, wodurch; Selbsterregung mit verhältnismäßig hoher Frequenz im Läuferkreis ermöglicht wird.

Diese Gefahr kann nun erfindungsgemäß dadurch beseitigt werden, daß die Hintermaschine zusätzlich derart erregt wird, daß in ihr eine mit wachsender Schlüpfung stark anwachsende und gegen die Gegenspannung der Hintermaschine etwa 90⁰ voreilende, gegen die Schleifringspannung des Hauptmotors etwa 90⁰ nacheilende, also dessen Leistungsfaktor verschlechternde Spannungskomponente induziert wird.

Dies wird dadurch erreicht, daß eine Erregerwicklung der Hintermaschine unmittelbar oder unter Zwischenschaltung einer Erregermaschine von der Schleifringspannung des Hauptmotors über eine Kapazität gespeist wird. Der Strom dieses Erregerkreises eilt gegen die Schleifringspannung, unabhängig von der Phasenfolge im Läuferkreis, an- iao nähernd 90⁰ vor, die von ihm erregte Spannungskomponente der Hintermaschine eilt

also, unabhängig von der Phasenfolge im Läuferkreis, bei entsprechender Wahl des Wickelsinnes der Erregerwicklung gegen die Schleifringspannung 90⁰ nach. Da für konstanten, selbsterregten Kraftfluß der Asynchronmaschine deren Schleifringspannung der selbsterregten Schlupffrequenz angenähert proportional, der kapazitive Widerstand des Erregerkreises aber der Schlupffrequenz umgekehrt proportional ist, wächst der Strom des zusätzlichen Erregerkreises und damit die von ihm induzierte Spannungskomponente der Hintermaschine für den netzerregten und für den selbsterregten Zustand bei konstantem

»5 Kraftfluß des Hauptmotors annähernd im Quadrat der Schlupffrequenz, wenn bei jeder betriebsmäßig auftretenden Frequenz und auch bei der größtmöglichen selbsterregten Frequenz der kapazitive Widerstand ein Mehr-

ao fach.es des in Reihe zu ihm liegenden induktiven Widerstandes der Erregerwicklung beträgt.

Ein Ausführungsbeispiel zeigt im einphasigen Schema Abb. 2. 1 ist das primäre Netz, 2 die Asynchronmaschine, 3 die ständergespeiste, mit dem Hauptmotor gekuppelte Kommutatorhintermaschine mit der Kompensationswicklung 4 und der Reihenschluß-Erregerwicklung 5. Die Erregerwicklung 6 der Hintermaschine ist von der Erregermaschine 7 erregt, deren Ankerstrom durch die Einwirkung ihrer Reihenschluß-Erregerwicklung 9 der resultierenden Durchfiutung ihrer fremderregten Erregerwicklungen 10, 11 und 12 proportional ist. 8 ist die Kompensationswicklung der Erregermaschine. Die Wicklung jo wird von den Schleifringen des Hauptmotors über einen Widerstand 13 solcher Größe gespeist, daß ihr Strom der Schleifringspannung des Hauptmotors proportional ist und über die Erregermaschine in der Hintermaschine eine der Schleifringspannung annähernd entgegengerichtete und vorzugsweise ihr entgegengesetzte und der Größe nach.

gleiche Spannungskomponente induziert. Meist ist noch eine weitere, von einer zusätzlichen Spannungsquelle der Schlupffrequenz gespeiste Erregerwicklung 11 vorhanden, die aber mit dem Erfindungsgedanken nicht in unmittelbarem Zusammenhang steht und nicht weiter berücksichtigt wird. Die Erregerwicklung 12 der Erregermaschine wird von der • Schleifringspannung des Hauptmotors über einen Kondensator 14 erregt; die Durchflutung der Wicklung 12 ist also bei konstantem Induktionsfluß des Motors 1 dem Quadrat der Schleifringspannung proportional und eilt gegen die Durchfiutung der Wicklung 10 um annähernd 90⁰ vor, bewirkt also mit wachsender Schlüpfung über- und untersynchron eine Verschlechterung des Leistungsfaktors des Hauptmotors und erschwert oder verhindert die Selbsterregung. Auch für den netzerregten Zustand wirkt der zusätz:- liche, über eine Kapazität gespeiste Erregerkreis günstig, da für den netzerregten Zustand bei konstantem Strom der Erregerwicklung 11 und stromloser Wicklung 12 durch die verschiedenen Nebeneinflüsse mit wachsender Schlüpfung der Leistungsfaktor des Hauptmotors oft in unerwünschtem Maße verbessert wird. Durch den zusätzlichen Erregerkreis 12-14 kann also auch für den netzerregten Zustand die Änderung der Blindleistung des Hauptmotors mit wechselnder Schlüpfung verkleinert oder auch ganz aufgehoben werden. 15 ist die Antriebsmaschine der Erregermaschine. Um Resonanzerscheinungen in dem einen Schwingungskreis bildenden Erregerkreis 12-14 unmöglich zu machen, kann es vorteilhaft sein, der Kapazität einen Dämpfungswiderstand 16 vorzuschalten.

Die Schaltung Abb. 2 ist nur als Ausführungsbeispiel zu bewerten, der Erfindungsgedanke kann auch bei anderen bekannten Spielarten der Schaltung Verwendung finden. So kann die Hintermaschinie auch getrennt angetrieben sein. Statt der gezeichneten Erregung über eine Einzelerregermaschine ist auch Erregung über eine Doppelerregermaschine oder auch unmittelbare Erregung der Hintermaschine von den in Abb. 2 die Erregermaschine erregenden Spannungsquellen aus möglich, oder auch schließlich eine gemischte Erregung, bei der eine Komponente des gesamten Stromes der Erregerwicklung 6 der Hintermaschine unmittelbar, die zweite Komponente dagegen unter Vermittlung einer Einzel- oder Doppelerregermaschine zugeführt wird, wobei die beiden Komponenten in der gleichen oder in getrennten Erregerwicklungen der Hintermaschine fließen können. Die verschiedenen Erregerwicklungen der Erregermaschine kön- tos nen teilweise oder ganz zu einer Wicklung vereinigt werden. Zur Unterdrückung der Selbsterregung können ferner gleichzeitig weitere an sich bekannte Mittel Verwendung finden. So kann außerdem an eine Stelle des Erregerkreises eine leerlaufende, synchrone oder asynchrone Maschine angeschlossen werden. Schließlich kann statt der ständergespeisten Hintermaschine auch die läufergespeiste Hintermaschine Verwendung finden, wobei dann deren Schleifringe von der Schleifspannung des Hauptmotors zusätzlich über eine Reihenschaltung von Frequenzwandler und Kapazität gespeist werden. Der Frequenzwandler transformiert die an den Schleifringen des Hauptmotors bestehende Schlupffrequenz auf die für die Er-

regung der läufergespeisten Hintermaschine erforderliche Frequenz. Die Kapazität kann dabei im niederfrequenten oder auch, im hochfrequenten Teil des Erregerkreises liegen.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung zur Verhinderung der Selbsterregung einer Kaskade, bestehend aus einer Asynchronmaschine und einer Kommutatorhintermaschine, in der eine der Schleifringspannung des Hauptmotors proportionale und annähernd entgegengerichtete Spannungskomponente induziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Hintermaschine oder eine Hüfserregermaschine für die Hintermaschine mit einer über eine Kapazität von der Schleifringspannung des Hauptmotors gespeisten Erregerwicklung ausgerüstet ist, und daß der kapazitive Widerstand bei jeder betriebs- ao mäßig auftretenden Frequenz das Mehrfache des in Reihe zu ihm liegenden induktiven Widerstandes der Erregerwicklung beträgt.
2. 2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch as gekennzeichnet, daß die durch, die zusätzliche Erregerwicklung induzierte Spannungskomponente derHintermaschine gegen die Schlupfspannung des Hauptmotors, unabhängig von der Phasenfolge im Läufer¹-kreis, annähernd 90⁰ nacheilt.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zur Kapazität ein Ohmscher Widerstand liegt.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen