DE515477C - Anordnung zur Erzeugung von mehreren Regelspannungen in einem geschlossenen elektrischen Stromkreis, die nach einer Potenzfunktion voneinander abhaengig und unter beliebigem Phasenwinkel zusammengesetzt sind und die je in einem besonderen Transformator erzeugt werden - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
13. JANUAR 1931

RE IC HS PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

JVl 515477 KLASSE 21 d² GRUPPE

Transformator erzeugt werden

Patentiert im Deutschen Reiche vom 24. Juli 1929 ab

Vorliegende Erfindung betrifft in erster Linie eine Anordnung zur Erregung von ständergespeisten Drehstromhintermaschinen, deren Erregerwicklung über einen Frequenzwandler unmittelbar oder mittelbar gespeist wird. In dieser Schaltung werden nämlich die verwendeten Hilfsmaschinen bzw. Transformatoren mit ihrer normalen Frequenz ausgenutzt und fallen daher verhältnismäßig klein

ίο aus. Schwierigkeiten bietet lediglich die Erhaltung der Phasenlage der von der Hintermaschine gelieferten Spannung, wenn sich die Frequenz ändert. Betrachtet man zunächst den Fall, wo die Asynchronmaschine nur in ihrer Drehzahl geregelt werden soll, so muß der Erregerwicklung der Hintermaschine dann eine Spannung aufgedrückt werden, die sich aus einer dem Schlupf angenähert proportionalen Ohmschen Komponente und aus einer auf jener senkrecht stehenden, dem Schlupf ungefähr quadratisch proportionalen induktiven Komponente zusammensetzt. Diese Forderung wird nun im vorliegenden Fall dadurch erfüllt, daß der die Erregerwicklung speisende Frequenzwandler von- zwei hinter- »5 einandergeschalteten Transformatoren gespeist wird, deren Spannungen in bekannter Weise um 90⁰ gegeneinander versetzt sind. Während nun bei den bekannten Anordnungen keine gegenseitige Abhängigkeit der von beiden gelieferten Spannungen vorhanden ist, ist sie im vorliegenden Fall dadurch geschaffen, daß das Feld im zweiten Transformator als auch die wirksame sekundäre Windungszahl dieses Transformators der regelbaren Spannung des ersten Transformators proportional sind. Wenn sich dann die Spannung des ersten Transformators linear ändert, geschieht dies beim zweiten mit der zweiten Potenz. Schaltet man in Reihe zu beiden Transformatoren noch einen dritten Transformator, dessen Primärwicklung von der Sekundärspannung des zweiten Transformators gespeist wird, während die wirksame Windungszahl seiner Sekundärwicklung der Sekundärspannung des ersten Transformators

*) Von dem Patentsucher sind als die Erfinder angegeben worden:

Dipl.-lng, Hermann Har\ in Berlin-Siemensstadt und Dipl.-lng. Erivin Rodnwald in Berlin-Charlottenburg.

proportional ist, so ist seine Sekundärspannung in der dritten Potenz derjenigen des ersten proportional, und so läßt sich dies in beliebiger Weise fortsetzen. Will man außer auf die Drehzahl noch auf die Blindleistung des Hauptmotors einwirken, so sind noch zwei weitere Transformatoren notwendig, welche die Ohmsche bzw. induktive Komponente dieser Phasenspannung· der to Erregerwicklung aufdrücken. Die Ohmsche Spannung steht auf der Ohmschen Spannung der Drehzahlkomponente senkrecht und wird nach Belieben geregelt. Das Feld des Transformators für die induktive Komponente dieser Phasenspannung ist der Ohmschen Komponente dieser Spannung proportional, und außerdem wird die wirksame sekundäre Windungszahl noch der Ohmschen Komponente der Drehzahlspannung proportional geändert. Es genügt auch, zu der Spannung des ersten Drehzahltransformators eine um go° verschobene Phasenspannung zu addieren und erst mit dieser kombinierten Spannung den folgenden Transformator bzw. Transformatoren zu speisen.

Ein Ausführungsbeispiel soll den Grundgedanken der Erfindung etwas näher erläutern. In Abb. ι bedeutet 1 eine Asynchronmaschine, in deren Läuferkreis eine ständererregte Kommutatorhintermaschine 2 geschaltet ist. Die Erregerwicklung dieser Maschine wird von dem Frequenzwandler 3 erregt, der seinerseits wieder über Schleifringe mit Netzfrequenz erregt wird. Zu seiner Erregung dienen vier Transformatoren. Die beiden Transformatoren 4 und 5 liefern die Ohmsche bzw. induktive Komponente der Drehzahlspannung. Die Wicklung des Transformators 4 ist als Sparwicklung mit Anzapfungen versehen, an denen die regelbaren Kontakte 6 entlanggleiten. Die Primärwicklung des Transformators 5 ist in Dreieck geschaltet und zyklisch vertauscht an die Kontakte 6 angeschlossen, so daß die im Transformator 5 sekundär erzeugte Spannung sich unter 90⁰ zu der vom Transformator 4 gelieferten hinzufügt. Das Feld in 5 ist der Sekundärspannung von 4 proportional. Die Sekundärwicklung besitzt ebenfalls Anzapfungen, an denen regelbare Kontakte 7 schleifen. Diese sind mit den Kontakten 6 mechanisch gekuppelt, so daß sich die wirksame Windungszahl in 5 im gleichen Maß ändert wie die Sekundär spannung von 4. Da nun das Feld in diesem Transformator ebenfalls der Sekundärspannung von 4 entspricht, ist die Spannung von 5 der Sekundärspannung von 4 quadratisch proportional. Weiter sind noch die Transformatoren 8 und 9 vorhanden, die zur Beeinflussung der Blindleistung dienen. Der Transformator 8 ist primär in Dreieck geschaltet und zyklisch vertauscht mit Hilfe der regelbaren Kontakte ι ο an die Anzapfungen des ersten Transformators angeschlossen, da er eine Ohmsche Spannung liefert, die gegen die Ohmsche Komponente der Drehzahlspannung um 90⁰ verschoben ist. Der durch den Transformator 8 in den Erregerkreis eingeführten Spannung ist das Feld im Transformator 9 proportional, weleher die induktive Komponente der Phasenspannung liefert und daher noch eine dem Schlupf proportionale Größe besitzen muß. Diese wird dadurch geschaffen, daß seine wirksame sekundäre Windungszahl proportional der Spannung des ersten Transformators mit Hilfe der regelbaren Kontakte 11 geändert wird. Diese Kontakte sind, um die Abhängigkeit vom Schlupf zu wahren, mit den Kontakten 6 und 7 mechanisch gekuppelt. Die Primärwicklung des Transformators 9 ist wieder so geschaltet, daß sich die Sekundärspannungen von 8 und 9 unter 90° zusammensetzen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Abb. 4 für den Fall, daß die Hintermaschine 2 nicht direkt vom Frequenzwandler 3 erregt wird, sondern unter Zwischenschaltung einer weiteren ständererregten Maschine 12, die gemeinsam mit der Hintermaschine 2 vom Motor 13 angetrieben wird. Die induktive Spannung an der Erregerwicklung dieser Maschine muß sich mit der dritten Potenz des Schlupfes verändern, damit sich die induktive Spannung ,an der Erregerwicklung der Maschine 2 mit der zweiten Potenz und die Kommutatorspannung dieser Maschine proportional dem Schlupf ändert, wenn dieser mittels der Kontakte 6 auf verschiedene Werte eingestellt wird. Dies läßt sich aus folgender Betrachtung erkennen.

Es bezeichne:

Stillstandspannung derHauptmaschine 1, Schleifririgspannung dieser Maschine beim Schlüpf s

— eKi KommutatorspannungderMaschine 2, = Spannung an der Erregerwicklung der Maschine 2,

= Strom in der Erregerwicklung der Maschine 2,

— Ohmseher 1 Widerstand an der Erreger-

— induktiver / wicklung der Maschine 2, = Spannung am Kommutator der Maschine 12

— «2.

e_ia = Spannung an der Erregerwicklung der

Maschine 12,
i₁₂ = Strom in der Erregerwicklung der Maschine 12,

Y₁₂ = Öhmscher \ Widerstand an der Erregerfeld = induktiver J wicklung der Maschine 12.

ei
ei· s

Dann gelten folgende Beziehungen:

1. eii2 — ei · s = A₂ · i₂, worin k₂ eine Konstante

der Maschine 2 bedeutet;

2. e₂ — i₂r₂-f /ωZ₂

A₁₂ =r Konstante der Maschine 12

= «12 ·

2'

3. e₁₂ = ΐ₁₈ (/₁₂

). Aus 2. folgt

JwL₂), worin k'_l2 =

4· ω 3;
5. e_ia = i₂Ä'₁₂ · (/₂ -f JwL₂) (r₁₂ + /O)L₁₈)

= h' Viz i^r2 · ^riz + i^wLz · ^ri2

-f /O)L₁₈ · r₂ + fur L₂L_n),

für T₁ und r_a <s U)L₁ und u>L₂ geht die Gleichung über in

^nocn

5ß" ^12 — *2 '

ei

6. ίο =

s, und da u> die Schlupfkreis

'² ~ K

frequenz bedeutet, ergibt sich

ι = K · s³, worin K — -γ- · Zi₁₂-L₁L₂- 4².

Die Abhängigkeit der den Schleifringen des Frequenzwandlers 3 aufgedrückten Spannung von der dritten Potenz des Schlupfes wird nun dadurch erreicht, daß ein weiterer Transformator 14 zu den anderen Transformatoren 4 und 5 hinzugefügt wird, dessen Primärwicklung von den in Reihe geschalteten Sekundärspannungen der beiden Transformatoren 4 und 5 gespeist wird.

Zum besseren Verständnis ist in Abb. 5 die Schaltung derart abgeändert worden, daß der Verbraucher, in diesem Fall die Schleifringe des Frequenzwandlers 3, nur eine rein kubisch veränderliche Spannung erhält. Dies ist dadurch erreicht, daß sie nur von der Sekundärwicklung des Transformators 14 allein gespeist werden. Die wirksame sekundäre Windungszahl dieses Transformators wird durch einen Stufenschalter 15, der mit den beiden anderen Stufenschaltern 6 und 7 mechanisch gekuppelt ist, proportional den wirksamen sekundären Windungszahlen in den Transformatoren 4 und 5 geändert. Das Feld im Transformators ist auf diese Weise der Sekundärspannung des Transformators 4 bzw. dessen wirksamer Sekundärwindungszahl proportional; eine Sekundärspannung ist dann, da sich seine Sekundärwindungszahl proportional der von 4 ändert, quadratisch dieser Größe proportional. Dieser Spannung entspricht das Feld im Transformator 14, dessen wirksame Sekundärwindungszahl proportional der der beiden anderen geändert wird, so daß seine Sekundärspannung sich in der dritten Potenz ändert, wenn es bei der des Transformators 4 mit der ersten Potenz geschieht. Sind die Transformatoren so wie in Abb. 4 geschaltet, so werden die Bedingungen der Gleichung 5 dann erfüllt, wenn die sekundären Spulenflüsse (Flußverkettungen = sek., Windungszahl χ Fluß) bei gleicher Primär spannung sich verhalten wie

Da der Verstellweg der Kontakte 7 und 11 dem Schlupf proportional ist, kann ihre Verstellung auch durch eine dem Schlupf proportionale Größe erfolgen. In diesem Fall fällt ihre mechanische Kupplung mit den Kontakten 6 fort.

Es ist natürlich klar, daß der Erfindungsgegenstand nicht nur auf Transformatoren mit Stufen beschränkt ist, sondern in gleieher Weise für alle Transformatoren mit irgendwie regelbarer Spannung (Doppeldrehtransformatoren usw.) gilt.

Bei der Schaltungsanordnung mit Zwischenerregermaschine ist es natürlich ebenfalls möglich, den Leistungsfaktor zu verbessern. Es ist dann nur nötig, zu den beiden Transformatoren 8 und 9 der Abb. 1 noch einen dritten Transformator hinzuzufügen, der durch die Sekundärspannung von 9 erregt und dessen wirksame Sekundärwindungszahl in gleicher Weise wie die von 9 geändert wird. Es ist dies auch dadurch möglich, daß man die Schaltung nach Abb. 2 nach der Schaltung Abb. 6 durch Hinzufügen des Transformators 8 erweitert.

In Abb. 2 ist die Schaltung durch Wegfall eines Transformators vereinfacht. Der Drehzahltransformator 4 hat wieder die gleiche Bedeutung wie oben. Es folgt nun gleich der Transformator 8, der eine dem Ohmschen Spannungsabfall der Phasenspannung entsprechende Spannung in den Erregerkreis einführt. Der Transformator ζ erzeugt in dieser Schaltung gleich die induktive Komponente der aus Drehzahl- und Phasenspannung resultierenden Spannung. Dies geht aus folgender Betrachtung hervor. Ohne den Transformator 8 würde sich alles so abspielen wie bei der Schaltung nach Abb. 1. Durch den Transformator 8 wird nun zunächst die Ohmsche Komponente der Phasenspannung eingeführt. Da der Transformator S von den beiden Transformatoren 4 und 8 in Reihe erregt wird, bringt eine Änderung der Phasenspannung durch den Transformator 8 eine entsprechende Änderung] seines Feldes hervor. Seine sekundäre Windungszahl entspricht bereits dem jeweils vorhandenen Schlupf, so daß also auch die induktive Komponente der Phasenspannung mit richtiger Größe (proportional dem Phasenanteil

Claims (1)

1. des Erregerfeldes und proportional dem Schlupf) in den Erregerkreis eingeführt wird. Abb. 3 stellt die gleiche Anordnung, jedoch mit Doppeldrehtransformatoren an Stelle der Stufentransformatoren dar.

   Patentanserüche:

   i. Anordnung zur Erzeugung von mehreren Regelspannungen in einem geschlossenen elektrischen Stromkreis/ die nach einer Potenzfunktion voneinander abhängig und unter beliebigem Phasenwinkel zusammengesetzt sind und die je in einem besonderen Transformator erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung des Transformators mit der jeweils potenzhöheren Regelspannung an die potenzniedrigere Regelspannung des vorhergehenden Transformators angeschlossen ist und die Regelorgane der beiden Transformatoren (z.B. die Stufenschalter) in gegenseitiger Abhängigkeit (z.B. infolge mechanischer Kupplung) verstellt "Werden.

   ¹Z. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der verschiedenen Regelspannungen die Schlupffrequenz führende Erregerwicklung im Ständer von Kommutatorhintermaschinen speist.

   3. Anordnung nach Anspruch 2, bei der zur Erregung der Kommutatorhintermaschine ein Kommutatorfreguenzwand- ler vorgesehen istj dessen Netzfrequenz oder annähernde Netzfrequenz aufweisende Seite von zwei Regeltransformatoren gespeist wird, von denen der eine die Ohmsche Spannungskomponente für die Erregerwicklung der Kommutatorhintermaschine, der zweite die induktive Spannungskomponente liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transformator seine Erregung von der geregelten Spannung des ersten Transformators erhält und seine wirksame Windungszahl sich proportional der Windungszahl des ersten Transformators ändert.

   4. Anordnung nach. Anspruch'3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung des Leistungsfaktors der asynchronen Vordermaschine noch zwei Regeltransformatoren vorgesehen sind, deren Sekundärwicklungen mit den Sekundär-

   wicklungen der beiden ersten Transformatoren in Reihe geschaltet sind, von denen der eine wieder die Ohmsche Sjpannungskomponente und der andere die induktive Spannungskomponente für die Erregerwicklung der Hintermaschine liefert, und daß das Feld in dem zweiten Transformator der Sekundärspannung des ersten auf den Leistungsfaktor der Asynchronmaschine einwirkenden Transformators und seine wirksame sekundäre Windungszahl der des ersten Drehzahlregeltransformators oder dem Schlupf der Hauptmaschine proportional ist.

   5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch, gekennzeichnet, daß noch ein auf den Leistungsfaktor der asynchronen Vordermaschine einwirkender Regeltransformator vorgesehen ist, der eine Ohmsche Spannungskomponente für die Speisung der Erregerwicklung liefert, und daß der Transformator für die induktive Spannungskomponente seine Erregung von der resultierenden Regelspannung der beiden die Ohmsche Spannungskomponente liefernden Regeltransformatoren erhält.

   6. Anordnung nach: Anspruch 2 und 3, bei der die Erregung der Kommutatorhintermaschine über eine ständer erregte Kommutatorhilfsmaschine (12 in Abb. 4) und einen Frequenzwandler erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzwandler über drei auf die Drehzahl einwirkende Regeltransformatoren erregt wird, von denen zwei gemäß der Anordnung nach Anspruch 3 geschaltet sind, während der dritte mit der Primärwicklung an die Regelspannung des zweiten angeschlossen ist und seine wirksame Sekundärwindungszahl sich proportional der des zweiten Regeltransformators ändert.

   7. Anordnung nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung des Leistungsfaktors der asynchronen Vordermaschine noch drei Transformatoren vorgesehen sind, von denen zwei gemäß der Anordnung nach Anspruch 4 geschaltet sind, während die Sekundärspannung des zweiten Transformators den dritten Transformator erregt, dessen wirksame Sekundärwindungszahl sich proportional der des zweiten Regeltransformators ändert.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen