DE524360C - Umlaufender, vorzugsweise im UEbersetzungsverhaeltnis der Spannungen regelbarer Maschinensatz zur Frequenzumformung von Wechselstroemen - Google Patents

Description

Bei elektrischen Maschinen, deren Primär- und Sekundärteil durch einen gemeinsamen magnetischen Fluß verkettet sind, ist eben wegen dieses gemeinsamen Flusses das Über-Setzungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärspannung annähernd unveränderlich und nur wenig von der Belastung abhängig. Die Spannungsänderung gegenüber der Leerlaufspannung ist klein und kann bei Umformern dieser Art, also insbesondere auch bei solchen asynchroner Bauart, die zur Frequenzumformung von Wechselströmen dienen, zur Spannungsregelung meist nicht herangezogen werden, so daß hierfür ein zusätzlicher Apparat notwendig wird.

Die Erfindung erreicht dagegen bei Frequenzumformern asynchroner Bauart eine unabhängige und beliebig weitgehende Regulierung durch den Umformer selbst, indem sie diesen aus zwei oder mehreren miteinander gekuppelten asynchronen Maschinen mit parallel oder in Reihe geschalteten, unmittelbar oder über Transformatoren an der Primärspannung liegenden Primärwicklungen und mit in Reihe oder bei primärer Reihenschaltung auch parallel geschalteten Sekundärwicklungen zur Erzeugung der gemeinsamen Sekundärspannung aufbaut, deren Primäroder auch Sekundärwicklungen gegeneinander mechanisch verdrehbar eingerichtet sind.

Diese Verdrehung ist bei Synchronmaschinen bekannt; die auf ihr beruhende Gegenschaltung wird für Prüfzwecke zur gegenseitigen Belastung zweier gleicher Maschinen angewandt. Eine gegenseitige Verdrehung ist ferner bei Asynchronmotoren mit Kurzschlußläufer zur Regelung von Drehzahl und Anlauf vorgeschlagen worden, außerdem bei Wechselstromkommutatormaschinen in der Form der Bürstenverschiebung, insbesondere bei aus zwei Drehstromerregermaschinen bestehenden Erregeraggregaten zur Regulierung von Induktionsmotoren, angewendet worden.

Diese an sich bekannte Verdrehung der Primär- oder der Sekundärteile gegeneinander wird erfindungsgemäß dazu benutzt, bei einem aus zwei oder mehreren Asynchronmaschinen gebildeten Umformer das Übersetzungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärspannung zu ändern. Dabei ist dieses Verhältnis streng genommen nur definiert für den Fall des Leerlaufs, bei Belastung tritt eine von dieser abhängige Spannungsänderung auf. Der Maschinensatz verhält sich also bei einer gegebenen Einstellung wie eine einfache Maschine mit einem bestimmten Verhältnis der Leerlauf spannungen, hat aber der einfachen Maschine gegenüber den Vorteil,· daß dieses Übersetzungsverhältnis der Leerlauf Spannungen durch die Verdrehung be-

liebig veränderlich ist. Daraus ergibt sich eine vielseitig anwendbare Regulierung, für die im nachstehenden Beispiele gegeben werden. Während mit einer einfachen Maschine nur eine Betriebsgröße willkürlich geregelt werden kann, erlaubt der erfindungsgemäße Umformer die Regelung zweier Betriebsgrößen unabhängig voneinander, wie im einzelnen aus den Beispielen näher hervorgeht.

ίο Die Schaltung der Primär-bzw. Sekundärwicklungen ist zunächst beliebig und kann grundsätzlich sowohl in Reihe als auch parallel erfolgen. Bei der Verdrehung tritt eine gegenseitige Belastung der Maschinen auf, die bei doppelter Parallelschaltung zu hohen Ausgleichströmen führt und nur verhältnismäßig kleine Verdrehungen zuläßt. Es muß daher immer mindestens eine Seite in Reihe geschaltet sein. Im übrigen ist zu sagen, daß bei primärer Parallelschaltung die zunehmende Verdrehung eine Verkleinerung, bei primärer Reihenschaltung eine Vergrößerung der Sekundärspannung ergibt.

Die Abbildungen zeigen mehrere Ausführungs formen der erfindungsgemäßen Anordnung, und zwar:

1. an einem Drehstrom-Gleichstrom-Kaskadenumformer (Abb. 1),

2. an einem Periodenumformer (Abb. 2), 3. an einer doppelt gespeisten Doppelinduktionsmaschine als Kupplung zweier Netze verschiedener Frequenz (Abb. 3).

Im einzelnen ist zur Erläuterung dieser Beispiele zu sagen:

i. Abb. ι zeigt die Anwendung eines solchen erfindungsgemäßen Umformers bei einem Drehstr om- Gleichstrom - Kaskadenumformer. Der asynchrone Umformer besteht aus den beiden Asynchronmaschinen A und B, deren Ständerwicklungen parallel am Drehstromnetz liegen. Die Läuferwicklung der Maschine A ist in Stern oder Dreieck geschaltet, die Läuferwicklung der Maschine B ist dagegen unverkettet, ihre Phasen sind einerseits mit der Lauf erwicklüng der Maschine A, andererseits mit der Wicklung des Einankerumformers C verbunden, der durch eine Erregerwicklung erregt wird und von dessen Kommutator Gleichstrom abgenommen wird. Die drei Maschinen haben eine gemeinsame Welle, der Ständer der Maschine^ sei verdrehbar. Durch dessen Verdrehung läßt sich die dem Einankerumformer C zugeführte Drehstromspannung zwischen zwei Grenzwerten verändem; der Höchstwert der Spannung ist gegeben bei Phasengleichheit der Läuferspannungen in A und B, der Kleinstwert bei Phasenopposition. Die Läuferspannungen in A und B können dabei beliebige Größe haben, je nach dem gewünschten Regelbereich. Die Größe der am Umformer abgenommenen Gleichspannung ist mit dieser zugeführten Wechselspannung regelbar, da ja bekanntlich beim Einankerumformer zwischen Wechselspannung und Gleichspannung Proportionalitat besteht. Durch die Erregung des Einankerumformers C kann außerdem die Phase des aus dem Primärnetz entnommenen Drehstroms beliebig eingestellt werden.

Bei diesem Umformer ist daher als Neuerung gegenüber dem gewöhnlichen Kaskadenumformer die Gleichspannung in weiten Grenzen und unabhängig davon die Phasenverschiebung im Drehstromnetz beliebig regelbar. Ein Vorteil ist weiter, daß das ganze Aggregat ausführbar ist ohne Schleifringe mit einem einzigen, nur mit Kommutator versehenen Anker, da alle Verbindungen in der Wicklung fest angeordnet werden können und das Anlassen von der Drehstromseite aus ohne Anlaßwiderstände im Läuferkreis durch passende Verdrehung des Ständers der Maschine A möglich ist. Der Umformer besteht demnach aus einem einzigen Anker mit drei getrennten Ständern, die in einem Gehäuse untergebracht sein können. Der Umformer ist natürlich nicht an die gezeichnete dreiphasige Ausführung gebunden, sondern kann im Läufer z. B. wegen des Fortfallens der Schleifringe beliebig viele Phasen haben.

2. Abb. 2 zeigt die Anwendung eines solchen erfindungsgemäßen Umformers bei einem Periodenumformer. Die beiden Asynchronmaschinen D und JS bilden in derselben Schaltung wie oben unter 1. den asynchronen Umformer, dessen veränderliche Sekundär- . spannung über Schleifringe einer Synchronmaschine F zugeführt wird, die mechanisch mit D und E gekuppelt ist. An die Schleifringe ist gleichzeitig ein zweites Netz II angeschlossen, dessen Periodenzahl zu der Periodenzahl des speisenden Netzes I in einem bestimmten, in bekannter Weise von den Polzahlen der Maschinen abhängigen Verhältnisse steht.

Bei der einfachen Anordnung mit nur einer Asynchronmaschine statt der Doppelmapchine D und E ist das Verhältnis der Spannungen der Netze I und II nahezu unveränderlich. Soll z. B. durch die Einstellung der no Erregung der Synchronmaschine die Phasenverschiebung im Netz I kompensiert werden, so hat das Spannungsverhältnis zwischen I und II für jede übertragene Wirkleistung· einen ganz bestimmten Wert,

Die erfindungsgemäße Anordnung nach Abb. 2 dagegen erlaubt die gleichzeitige unabhängige Regelung des Spannungsverhältnisses zwischen den Netzen I und II durch Drehung des Ständers D und Phasenkompensierung durch die Erregung der Synchronmaschine F.

3· Abb. 3 zeigt die Anwendung eines solchen erfindungsgemäßen Umformers als eine doppelt gespeiste Doppelinduktionsmaschine zur Kupplung zweier Netze verschiedener Frequenz. Der Umformer besteht aus den beiden Asynchronmaschinen L und M, deren Ständer parallel am Netz I liegen. Die Läuferwicklung der Maschine L ist in Stern oder Dreieck geschaltet, die der Maschine M unverkettet ausgeführt. Ihre Phasen sind einerseits mit den Phasen der Läuferwicklung der Maschine L verbunden und führen andererseits zu drei Schleifringen, die das Netz II speisen. Der Ständer der Maschine L sei verdrehbar. Der Maschinensatz, der mit einem hier nicht näher zu beschreibenden Motor N mechanisch gekuppelt ist, läuft mit einer Drehzahl, die jeweils der Differenz der Periodenzahl in den Netzen I und II proportional ist. Bei einer bestimmten Einstellung der Drehzahlcharakteristik der Maschine N läuft der Maschinensatz ohne Leistungsumsetzung leer, ändert man die Drehzahlcharakteristik von N, so wird Leistung von Netz I auf das Netz II oder umgekehrt übertragen. Bei einer einfachen doppelt gespeisten Induktionsmaschine stellt sich dabei für ein bestimmtes Frequenzverhältnis, für ein bestimmtes Spannungsverhältnis und für eine bestimmte Leistungsumsetzung zwischen den Netzen I und II eine dadurch bedingte, ganz bestimmte Phasenverschiebung z. B. im Netz I ein.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung nach Abb. 3 dagegen kann diese Phasenverschiebung infolge der durch die Verdrehung des Ständers L gewonnenen weiteren Reguliermöglichkeit beliebig eingestellt werden. Zu betonen ist, daß es sich im vorliegenden nur um Beispiele handelt, mit denen die Anwendungsmöglichkeiten des Umformers noch keineswegs erschöpft sind. In allen Fällen wirkt der aus mehreren Maschinen, meist aus zweien, zusammengesetzte Umformersatz genau wie die einzelne Maschine der betreffenden Art, jedoch mit der neuen wertvollen Eigenschaft erhöhter Reguliermöglichkeit. Im Beispiel 1 wird die veränderliche Sekundärspannung einer weiteren mechanisch und elektrisch gekuppelten Maschine zugeführt, im Beispiel 2 ist das zwar auch noch der Fall, aber die veränderliche Sekundär spannung dient gleichzeitig zur Speisung eines zweiten Netzes. Im Beispiel 3 ist die weitere Maschine in Wegfall' gekommen, die Sekundärspannung speist nur das zweite Netz, so daß der Umformer die Kupplung zwischen beiden Netzen darstellt. Der erfindungsgemäße Umformer kann natürlich auch zur Speisung einer unabhängigen Maschine an Stelle eines Netzes verwendet werden. Die Richtung der Energieübertragung ist umkehrbar, d. h. Primärnetz und Sekundärnetz bzw. Primärteile und Sekundärteile des Umformers können ihre Rollen tauschen.

Will man die Regelfähigkeit eines solchen Maschinensatzes im Betrieb ausnutzen, so muß durch irgendeine Vorrichtung die Möglichkeit gegeben sein, die Spannungsvektoren der Asynchronmaschinen betriebsmäßig gegeneinander zu verdrehen, ist aber nur die dauernde Einstellung eines bestimmten charakteristischen Betriebszustandes verlängt, so genügt eine einmalige feste Einstellung der gegenseitigen Lage. Besonders auch im letzteren Falle kann die mechanische Verdrehung der Wicklungen durch die Änderung der Phasenlage der zugeführten Teilspannungen ersetzt werden, d. h. die Spannungsvektoren können elektrisch gegeneinander verdreht werden. Es können z. B. die Wicklungen mit ungleichphasigen Spannungen gespeist werden, die an verschieden geschalteten oder verschieden angezapften Transformatoren abgenommen werden. Während diese Art der Regelung meist nur stufenweise und nicht im Betrieb erfolgen wird, hat die mechanische Verdrehung den Vorteil einer betriebsmäßigen stufenlosen Regelung.

Wie bei der Beschreibung der Beispiele schon erwähnt, ist es weder notwendig, daß Primär- und Sekundärwicklungen .für die gleiche Phasenzahl ausgeführt sind, noch daß sie gleiche Teilspannungen erzeugen, deren Größe vielmehr je nach dem gewünschten Regelbereich, verschieden gewählt werden kann. Hinsichtlich der konstruktiven Durchführung ist es möglich, den einzelnen Maschinen gemeinsame Konstruktionselemente weniger oder mehr zu vereinigen, wodurch dann der ganze Maschinensatz immer mehr das Aussehen einer einzigen Maschine erhält.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   I. Umlaufender, vorzugsweise im Über-Setzungsverhältnis der Spannungen regelbarer Maschinensatz zur Frequenzumformung von Wechselströmen, gekennzeichnet durch zwei oder mehrere miteinander gekuppelte asynchrone Maschinen mit parallel oder in Reihe geschalteten unmittelbar oder über Transformatoren an der Primärspannung liegenden Primärwicklungen und mit in Reihe oder bei primärer Reihenschaltung auch parallel geschalteten Sekundärwicklungen zur Erzeugung der gemeinsamen Sekundär spannung, deren Primär- oder auch Sekundärwicklungen gegeneinander mechanisch verdrehbar eingerichtet sind.
2. 2. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderliche Se-

   kundärspannung einer weiteren mechanisch gekuppelten Maschine zugeführt wird.
3. 3. Umformer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den einzelnen Maschinen des Umformers oder diesen und der.weiteren elektrisch und mechanisch gekuppelten Maschine gemeinsamen Konstruktionselemente mechanisch ganz oder zum Teil zusammengebaut sind.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen