DE507547C - Anordnung an Asynchronmaschinen, deren Kommutatorhintermaschine von der Netzspannung unmittelbar oder ueber Spannungs- oder Frequenzumformer erregt wird - Google Patents

Description

Bei asynchronen Generatoren, Motoren oder asynchronen Blindleistungsmaschinen kann man zur Erregung der Asynchronmaschine in deren Sekundärstromkreis eine Kommutatorhintermaschine beliebiger Bauart einschalten. Die Erregung der Kommutatorhinterniaschine erfolgt entweder im Läufer mit Netzfrequenz oder im Ständer mit Schlupffrequenz und wird von der Netzspannung der Hauptmaschine zweckmäßig über einen Transformator bzw. bei Schlupffrequenzerregung über einen Frequenzwandler gespeist. Die Erregung der Kommutatorhintermaschine und damit auch die Erregung der Hauptmaschine steht dadurch in einem im wesentlichen linearen Verhältnis zur Höhe der Netzspannung. Dies ist in Abb. 1 der Zeichnung veranschaulicht. Die Abszisse des Diagramms ist die Klemmenspannung E bzw. auch die Netzspannung der asynchronen Maschine, die Ordinate der Magnetisierungsstrom der Asynchronmaschine bzw. der Erregerstrom / der Kommutatorhintermaschine, die Gerade II zeigt das lineare Verhältnis zwischen der Netzspannung und dem von dieser erzeugten Erregerstrom der Hintermaschine. Die Kurve I stellt nun den für die Magnetisierung der Hauptmaschine erforderlichen Strom dar, die Kurve ist bei steigender Netzspannung entsprechend der an der Hauptmaschine dann auftretenden Eiseneättigung nach oben gekrümmt. Sie liegt bei entsprechender Einstellung der Erregung an der Hintermaschine zuerst unterhalb der Geraden II und dann oberhalb dieser. Der Schnittpunkt von I und II entspricht demjenigen Betriebszustand, d. h. derjenigen Höhe E₁ der Netzspannung, bei der der von der Hintermaschine gelieferte Magnetisierungsstrom gleich dem von der Hauptmaschine geforderten ist. Sinkt daher die Netzspannung unterhalb dieses Wertes, dann liefert die Kommutatorhintermaschine mehr Magnetisierungsstrom als erforderlich ist und der zwischen den beiden Kurven I und II liegende Betrag kann als Blindleistung an das Netz abgegeben werden. Umgekehrt wird die Spannung einer vorher unbelasteten Asynchronmaschine sinken, wenn sie zur Abgabe von Blindleistung herangezogen wird. Aus dem Diagramm der Abb. 1 ist nun .zu erkennen, daß die Blindleistungsabgabe der Asynchronmaschine nicht beliebig gesteigert werden kann. Sinkt dabei die Netzspannung bis auf einen Betrag E₂, bei dem die Kurve I in eine den Koordinatenanfangspunkt schneidende Gerade übergeht, dann zeigt die Asynchronmaschine in ihrer Spannung ein labiles Verhältnis. Sucht dann die Blindstromabgabe der Asynchronmaschine den zwischen den Kurven I und II liegenden Wert zu übersteigen, dann klappt die Spannung der Asynchronmaschine vollständig zusammen, da mit

*} Von dem Palentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Adolf Leonhard in Berlin-Charlottenburg.

sinkender Netzspannung die Differenz zwischen der bei einem bestimmten Spannungswert vom Netze aufnehmbaren und der von der Asynchronmaschine lieferbaren Blindleistung immer mehr ansteigt.

Günstiger liegen die Verhältnisse bezüglich der Blindstromabgabe bei synchronen Maschinen, deren Magnetisierungsfeld durch eine von der Netzspannung unabhängige ίο Gleichstromquelle erzeugt wird. Die Gerade II geht hier gemäß Abb. 2 der Zeichnung in eine zur Abszissenachse parallele Gerade über. Man sieht ohne weiteres, daß hier beim Sinken der Netzspannung die Blindstromt5 abgabe ständig gesteigert wird und beim Kurzschluß der Synchronmaschine ihr Maximum erreicht.

Bei selbsterregten Asynchronmaschinen der geschilderten Art kann man zwar die Spannungsverhältnisse bei wechselnder Blindleistungsabgabe dadurch verbessern, daß man an der Hauptmaschine bereits bei normaler Netzspannung starke Eisensättigung auftreten läßt, so daß in Abb. 1 die Erregung der Kommutatorhintermaschine sich gemäß der Geraden III einstellt, wenn jetzt E₁ die Netzspannung der Asynchronmaschine bei cos. φ = ι darstellt. Wird von der Asynchronmaschine nunmehr eine bestimmte Blindleistung verlangt, so sinkt die Netzspannung um einen wesentlich geringeren Betrag, da zwischen den Kurven I und III sofort eine größere Differenz von frei werdender Blindleistung entsteht. Dementsprechend ist auch die Gefahr eines Zusammenklappens der Spannung bei Blindleistungsstößen wesentlich vermindert. Eine derartige Anordnung mit starker Eisensättigung der Hauptmaschine führt aber zu ungünstigen Verhältnissen, insbesondere werden die Verluste und damit die Erwärmung der Hauptmaschine stark gesteigert.

Bei der Anordnung nach der Erfindung wenden nun die Betriebsverhältnisse einer Asynchronmaschine mit vom Netz erregter Kommutatorhintermaschine dadurch verbessert und den Betriebsverhältnissen bei synchronen Maschinen angenähert, daß die Erregung an der Hintermaschine derart beeinflußt wird, daß sie statt nach einer Geraden (II in Abb. 1) etwa nach der nach unten gekrümmten Kurve IV in Abb. 3 verläuft. Man erkennt aus Abb. 3, daß bei steigender Abgabe von Blindleistung die Netzspannung E nur in ähnlichem Maße sich verringert wie bei einer synchronen Maschine, da die Erregung der Hintermaschine (IV) zunächst fast konstant bleibt. Diese Verbesserung der Erregung der Hintermaschine wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß an ein oder mehreren Stellen des Erregerstromkreises der Hintermaschine magnetisch sich im wesentlichen im Eisen schließende Induktivitäten vorgesehen sind, die mit einer der Netzspannung gleichen oder annähernd proportionalen Spannung erregt und derart bemessen sind, daß an ihnen bei normaler Netzspannung oder unmittelbar bei deren Überschreitung infolge Eisensättigung keine Proportionalität mehr zwischen Magnetisierungsstrom und Spannung besteht und daß dieser Magnetisierungsstrom der eisengesättigten Induktivitäten besondere Induktivitäten erregt, deren Spannung in den Stromkreis der Erregerwicklung der Kommutatorhintermaschine eingeschaltet ist und der der Erregerwicklung der Hintermaschine vom Netz zugeführten Spannung entgegenwirkt. Die an sich auf einen übernormalen Wert eingestellte Erregung an der Hintermaschine wird also bei normaler Netzspannung infolge Eisensättigung auf den richtigen Wert herabgedrosselt. Sinkt nun die Netzspannung unter den normalen Wert, dann verringert sich auch die Eisensättigung im Erregerstromkreis der Hintermaschine und die Erregung der Hintermaschine wird trotz Sinkens der speisenden Spannung zunächst nicht wesentlich geschwächt.

Abb. 4 der Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der neuen Anordnung, 1 ist eine Asynchronmaschine motorischer oder generatorischer Art, die gleichzeitig auch Blindleistung abgeben soll. 2 ist die mit der Hauptmaschine gekuppelte und im Läufer mit Netzfrequenz erregte Kommutatorhintermaschine für die Lieferung des Magnetisierungsstromes, 3 ist der Erregertransformator für die Hintermaschine. Der Erregertransformator besitzt bei normaler Netzspannung bereits eine starke · Eisensättigung. Außerdem ist die Streuung in dem Erregerstromkreis durch Vorschaltung von Drosselspulen 4 vor den Transformator 3 zusätzlich vermehrt. Bei dieser Anordnung entspricht die Erregung der Hintermaschine 2 und damit auch die Erregung der Hauptmaschine ι der Kurve IV in Abb. 3. Infolge der Eisensättigung des Transformators 3 nimmt dieser einen starken Magnetisierungsstrom auf, der die Drosselspulen 4 durchfließt. Diese vermindern daher die resultierende Erregerspannung erheblich. Sinkt nun die Netzspannung, so vermindert sich der Erregerstrom der Hintertnaschine und damit die Erregung der Hauptmaschine zunächst nicht wesentlich, da nunmehr der Magnetisierungsstrom am Transformator 3 infolge Wegfalls der Eisensättigung stark abfällt und damit auch die Wirkung der Drosselspulen 4. Bei der neuen Anordnung schwankt also die Netzspannung bei Änderungen der Blindleistungsabgabe erheblich weniger als

bei einer etwa Abb. ι entsprechenden. Ebenso ist die Gefahr eines Zusammenklappens der Spannung infolge induktiver Belastungsstöße wesentlich geringer geworden. Die Anordnung wirkt aber auch bei Änderungen der Wirkleistung günstig, da der durch die Streuung der Hauptmaschine verursachte Spannungsabfall die Erregung der Hintermaschine nicht mehr schwächt.

ίο Selbstverständlich kann die starke Eisensättigung in einem beliebigen Teil des Erregerstromkreises der Hintermaschine erzeugt werden. Man kann die Eisensättigung bei der Anordnung nach Abb. 4 auch an der Hintermaschine selbst vorsehen, wobei die Hintermaschine, wie bereits erwähnt, entweder mit Schlupf frequenz oder auch mit Netzfrequenz erregt wird. Ebenso kann man einen für die Erregung der Hintermaschine noch verwendeten Frequenzwandler zur Herstellung der starken Eisensättigung benutzen. Man könnte aber auch an irgendeiner Stelle des Erregerstromkreises der Hintermaschine parallel geschaltete und bei normaler Netzfrequenz bereits gesättigte Drosselspulen vorsehen. Wesentlich ist nur, daß an irgendeiner Stelle des Erregerstromkreises durch Eisensättigung beeinflußter Magnetisierungsstrom fließt und dieser Magnetisierungsstrom eine die Erregung der Hintermaschine vermindernde Hilfsspannung in den Erregerstromkreis einführt, da er zum Beispiel vorgeschaltete Drosselspulen durchfließt.
Statt die Streuung in dem von dem Magnetisierungsstrom der Eisensättigung durchflossenen Teil des Erregerstromkreises durch Einschaltung von Drosselspulen zu vermehren, kann man auch andere wirkungsgleiche Mittel vorsehen. Besitzt z. B. die Kommutatorhintermaschine oder auch ein für ihre Erregung vorgeschalteter Frequenzwandler bei normaler Netzspannung Eisensättigung, dann kann man zur Erhöhung der Streuung die Kommutatorhintermaschine oder auch den Frequenzwandler in denjenigen Teilen, in denen Netzfrequenz herrscht, mit geschlossenen Nuten ausrüsten. Ebenso kann man die Streuung an dem Transformator 3 der Abb. 4 zusätzlich vermehren, indem man an dem Transformator einen besonderen Streupfad in Form eines dritten Schenkels oder auch einen besonderen Luftspalt vorsieht.

In Abb. 5 der Zeichnung ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt.

Die Anordnung ist hier derart, daß der Erregertransformator 3 wiederum bei normaler Netzspannung starke Eisensättigung besitzt. Statt der Drosselspulen 4 in Abb. 4 ist nun ein weiterer Transformator 5 vorgesehen, dessen Primärwicklung von dem Magnetisierungsstrom der Eisensättigung durchflossen wird und dessen Sekundärwicklung in denjenigen Teil des Erregerstromkreises eingeschaltet ist, in dem der Magnetisierungsstrom der Eisensättigung nicht mehr auftritt. Die Sekundärwicklung des Transformators 5 liegt dazu zwischen dem Transformator 3 und der Hintermaschine 2. Sie ist derart eingeschaltet, daß ihre Spannung die Erregung der Hintermaschine vermindert. Die Wirkungsweise der Anordnung nach Abb. 5 ist im übrigen ähnlich wie bei der Anordnung der Abb. 4. Soll die Maschine 1 beispielsweise bei generatorischem Betriebe stärkere Blindleistung abgeben, dann sinkt die Netzspannung und damit auch die Sättigung bzw. der Magnetisierungsstrom an dem Transformator 3. Die in der Sekundärwicklung des Transformators 5 induzierte Spannung wird dementsprechend wesentlich vermindert, so daß die Erregung der Hintermaschine trotz gesunkener Netzspannung noch etwa gleich stark ist.

Bei den geschilderten Anordnungen kann man die die Erregung vermindernde Hilfsspannung auch derart einstellen, daß beim Sinken der Netzspannung unter den normalen Wert die Erregung der Kommutatorhintermaschine zunächst nicht sinkt, sondern verstärkt wird. Die Asynchronmaschine ist dann bezüglich Spannungsschwankungen sogar einer Synchronmaschine überlegen. Eine derartige Einstellung der Hilfsspannung läßt sich in besonders vorteilhafter Weise mit der Anordnung nach Abb. 5 durchführen, man braucht nur die Eisensättigung des Transformators 3 entsprechend hochzutreiben und das Übersetzungsverhältnis am Transformator 5 danach einzustellen. Es ergibt sich dann für die Erregung der Asynchronmaschine das Diagramm nach Abb. 6 der Zeichnung. I ist wieder der für die Magnetisierung der Asynchronmaschine erforderliche Strom, V ist der von der Kommutatorhintermaschine gelieferte Erregerstrom. Der Schnittpunkt beider Kurven entspricht der normalen Netzspannung E₁. Soll jetzt die Asynchronmaschine Blindleistung abgeben, so sinkt die Netzspannung nur ganz unerheblich, da sofort ein großer Betrag von Blindleistung (die no Differenz zwischen den Kurven I und V) frei wird.

Bei Asynchronmaschinen, die während des normalen Betriebes vorwiegend Blindleistung abzugeben haben, insbesondere bei reinen Blindleistungsmaschinen, kann man die neue Anordnung auch dazu benutzen, eine unzulässige Spannungssteigerung im Ständer der Blindleistungsmaschine zu verhindern, wenn aus irgendeinem Grunde die Maschine abgeschaltet wird, ohne daß vorher Gelegenheit war, deren Erregung entsprechend zu vermin-

dem. Im Moment des Abschaltens ist die Blindleistungsmaschine zunächst vom Sekundärkreis aus stark übererregt. Entsprechend dieser Übererregung steigt die Spannung der Blindleistungsmaschine so lange, bis infolge Eisensättigung zwischen der erforderlichen und der gelieferten Erregung wieder Gleichgewicht herrscht. Bei der bisherigen Anordnung trat dann eine· starke Spannungssteigerung ein, da infolge des Ansteigens der Spannung auch die Erregung der Kommutatorhintermaschine im linearen Verhältnis gesteigert wurde. Die Anordnung nach der Erfindung hat nun den Vorteil, daß eine Steige- rung der Erregung der Hintermaschine über den normalen Wert beim Ansteigen der Klemmenspannung der Hauptmaschine vermieden wird, da die Eisensättigung im Erregerstromkreis der Hintermaschine sich in der geschilderten Weise bemerkbar macht. Bildet man dabei die Erregeranordnung nach dem Diagramm der Abb. 6 aus, so kann man erreichen, daß beim Ansteigen der Klemmenspannung die Erregung der Hintermaschine sogar geschwächt wird. Dies hat zur Folge, daß bei plötzlicher Unterbrechung der Blindleistungsabgabe der Hauptmaschine nur eine ganz geringfügige Spannungssteigerung eintritt, bei der bereits ein stabiler Zustand erreicht wird. Wenn man die neue Anordnung nur dazu verwendet, unzulässige Spannungssteigerungen beim Abschalten von Blindleistungsmaschinen zu vermeiden, dann ist es nicht erforderlich, daß die Eisensättigung im Erregerstromkreis der Kommutatorh inter maschine bereits bei der normalen Spannung der Blindleistungsmaschine vorhanden ist. Es genügt vielmehr, wenn diese Eisensättigung unmittelbar nach der Überschreitung der normalen Spannung einsetzt.

Die geschilderten Vorteile der neuen Anordnung treten auch ein, wenn statt des Abschaltens der Blindleistungsmaschine in dem gespeisten Netz plötzlich starke Blindstromverbraucher abgeschaltet werden bzw. wenn statt dessen Anordnungen eingeschaltet werden, die voreilenden Blindstrom erzeugen. Dies ist z. B. beim Zuschalten von längeren Hochspannungsfreileitungen oder Hochspannungskabeln der Fall. Auch hier werden die Spannungsstörungen auf ein erträgliches Maß herabgedrückt.

Selbstverständlich kann die Erfindung sowohl bei elektrisch und mechanisch gekuppelten als auch bei nur elektrisch mit der Asynchronmaschine verbundenen Kommutator-

. hintermaschinen Anwendung finden.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   ι. Anordnung an Asynchronmaschinen, deren Kommutatorhintermaschine von der Netzspannung unmittelbar oder über Spannungs- oder Frequenzumformer erregt wird, gekennzeichnet einerseits durch dem Erregerstromkreis der Hintermaschine angehörende oder zu ihm parallel geschaltete, magnetisch sich im wesentlichen im Eisen schließende Induktivitäten, die mit einer der Netzspannung gleichen oder annähernd proportionalen Spannung erregt und derart bemessen sind, daß an ihnen bei normaler Netzspannung oder unmittelbar bei deren Überschreitung infolge Eisensättigung keine Proportionalität mehr zwischen Magnetisierungsstrom und Spannung besteht, gekennzeichnet andererseits durch vom Magnetisierungsstrom der eisengesättigten Induktivitäten (unmittelbar oder über Umformer) erregte Induktivitäten, deren Spannung in den Stromkreis der Erregerwicklung der Kommutatorhintennaschme eingeschaltet ist und der der Erregerwicklung vom Netz zugeführten Spannung entgegenwirkt.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweitgenannten Induktivitäten durch in dem

   ' Netzfrequenz führenden Teil des Erreger-Stromkreises liegende, die Streuung vergrößernde besondere Einrichtungen, wie Drosselspulen, geschlossene Nuten in der Kommutatorhintermaschine oder in einer Erregermaschine für sie, zusätzliche Vergrößerung der Streuung des Erregertransformators gebildet werden.
3. 3. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Eisensättigung erforderliche Magnetisierungsstrom die Primärwicklung eines Transformators durchfließt, dessen Sekundärwicklung in den vom Magnetisierungsstrom der Eisensättigung freien "Teil des Erregerstromkreises der Hintermaschine eingeschaltet ist.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine derartige Einstellung der zweitgenannten Induktivitäten, daß beim Sinken der Netzspannung no unter den betriebsmäßigen Wert die Erregung der Kommutatorhintermaschine zunächst verstärkt wird und erst bei weiterem Spannungsniedergang abfällt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen