DE533760C - Schaltung zur Verhinderung der Selbsterregung einer Kaskade, bestehend aus asynchronem Hauptmotor und Kommutatorhintermaschine - Google Patents

Description

Wird eine Kaskade, bestehend aus Asynchronmaschine und Kommutatorhintermaschine, an ein Netz angeschlossen, dessen Spannung und Frequenz durch die das Netz speisenden Generatoren festgelegt sind, so sind durch die Spannung und Frequenz des Netzes und die Drehzahl bzw. Belastung der Asynchronmaschine bestimmte elektrische und magnetische Vorgänge in der Asynchron- und in der Kommutatorhintermaschine festgelegt. Über diesen netzerregten Zustand kann sich nun noch ein selbsterregter Zustand- überlagern, nämlich ungedämpfte, freie Schwingungen, deren Größe und Frequenz im wesentlichen durch die Eigenschaften der Kaskade selbst bestimmt sind, während hierfür die Größe der vom Netz her aufgedrückten Spannung nur von untergeordnetem Einfluß ist. Die Frequenz des selbsterregten Zustandes unterscheidet sich im primären und sekundären Kreis des Asynchronmotors von der des netzerregten Zustandes. Der in der Primärwicklung des Asynchronmotors fließende selbsterregte Strom schließt sich in der Hauptsache über da« Netz. Das Netz stellt für jede von der Netzfrequenz abweichende Frequenz, solange diese nicht das Mehrfache der Netzfrequenz beträgt, einen wesentlich, kleineren Widerstand dar als für Ströme der Netzfrequenz.

Besonders groß ist erfahrungsgemäß die Gefahr der Selbsterregung, wenn durch einen Erregerkreis der Hintermaschine, der bei konstantem Widerstand mit der Schleifringspannung des Hauptmotors gespeist wird und der künftig als Widerstandserregerkreis bezeichnet sei, eine der Schleifringspannung des Hauptmotors entgegengesetzt gleiche Spannungskomponente in der Komniutatorhintermaschine induziert und dadurch der Einfluß der Schleifringspannung auf die Wirkungsweise des Asynchronmotors aufgehoben wird. Es entspricht nämlich sowohl dem netzerregten wie dem selbsterregten Zustand je ein gewisser Wert der Schleifringspannung des Hauptmotors. Beide Werte überlagern sich bei der Selbsterregung, sind aber nach Größe und Frequenz voneinander verschieden.

Wird nun in der Hintermaschine eine der netzerregten Schleifringspannung des Hauptmotors gleiche und entgegengesetzt gerichtete Spannung induziert, so wird bei der betrachteten Schaltung in der Hintermaschine zugleich auch eine der selbsterregten Schleifringspannung wenigstens annähernd gleiche und entgegengesetzt gerichtete Spannung induziert, also auch der Einfluß der selbsterregten Schleifspannung annähernd aufgehoben und damit das Bestehen dieser Spannung, also die Selbsterregung, erleichtert. Je stärker sich dagegen der Einfluß der Schleifringspannung des Hauptmotors gleitend machen kann, desto mehr nähert sich sein Verhalten dem des gewöhnlichen Asynchronmotors ohne Hintermaschine (selbstständigen Asynchronmotors), für den bekanntlich Selbsterregung unmöig-

lieh ist, solange er nicht auf einer Kapazitä arbeitet. _s

Zur Vermeidung der Selbsterregung soll nun der Widerstandserregerkreis nicht ausschließlich mit der Schleifringspannung des Hauptmotors, sondern in Reihe dazu mit einer weiteren Spannung gespeist werden, die im netzerregten Zustand der Schleifringspannung des Hauptmotors proportional ist, die ίο im selbsterregten Zustand aber für gleichen Wert der Schleifringspannung kleiner als im netzerregten Zustand ist. Obwohl also im netzerregten- Zustand der Einfluß der Schleifringspannung des Hauptmotors durch eine Gegenspannung völlig aufgehoben wird, ist im selbsterregten Zustand die Gegenspannung kleiner als die Schleifringspannung. Es bleibt also ein mehr oder minder großer Restbetrag der Schleifringspannung bestehen. Für den selbsterregten Zustand nähern sich also die Arbeitsbedingungen der Asynchronmaschine denen der selbständigen Asynchronmaschine. Damit im selbsterregten Zustand die für den netzerregten Zustand vorgeschriebene Proportionalität zwischen der Schleifringspannung des Hauptmotors und der vom Widerstandserregerkreis induzierten Rotationsspannung der Hintermaschine gestört wird-, muß in den Widerstandserregerkreis die Spannung einer besonderen, von der Schleifringspannung unabhängigen rotierenden Maschine eingeführt werden. Liefert anderseits diese Maschine die gesamte erregende Spannung, so wird sie, da sie ja mit Schlupf-35· frequenz arbeitet, groß und teuer. Der beabsichtigte Zweck wird aber auch erreicht, wenn die gesamte, vom Widerstandserreger induzierte Spannung in zwei Summanden zerlegt werden kann, wobei für den einen Summanden zwar die Proportionalität mit der Schleifringspannung des Hauptmotors im netzerregten und im selbsterregten Zustand erhalten bleibt, während sie für den anderen Summanden nur im netzerregten Zustand besteht, während· für den selbsterregten Zustand der Wert dieses Summanden bei gleichem Wert der Schleifringspannung kleiner ist als für den netzerregten Zustand. Für den selbsterregten Zustand ist dann diese Proportionalitat auch für die resultierende, vom Widerstandserregerkreis induzierte Rotationsspannung der Hintermaschine gestört. Die Unterteilung der vom Widerstandserregerkreis induzierten Spannung in zwei bei Selbsterregung verschiedenen Gesetzen folgende Summanden wird dadurch erreicht, daß die den Widerstandserregerkreis speisende Spannung aus entsprechenden Summanden zusammengesetzt wird.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine Kaskadenschaltung von Asynchronmaschine und Kommutatorhintermaschine, bei welcher durch einen Erregerkreis der Hintermaschine in ihr eine der netzerregten Schleifringspannung der Asynchronmaschine wenigstens angenähert gleiche und entgegengesetzt gerichtete Spannung induziert wird, wobei dieser Erregerkreis (Widerstandserregerkreis) in Reihe von der Schleifringspannung des Hauptmotors und von der mit Schlupffrequenz pulsierenden Spannung einer zusätzlichen rotierenden Maschine gespeist wird, die für den netzerregten Zustand der Schleifringspannung des Hauptmotors angenähert proportional, für den selbsterregten Zustand dagegen bei gleiehern Wert der Schleifringspannung wesentlich kleiner als für den netzerregten Zustand ist. Diese zusätzliche Maschine kann _ eine asynchrone oder eine synchrone Maschine sein. .

Ein Ausführungsbeispiel, für den Fall der asynchronen Zusatzmaschine zeigt im einphasigen Schema Abb. 1. 1 sind die Sammelschienen des Netzes, 2 die mehrphasige asynchrone Vordermaschine, an deren Schleifringe die Mehrphasen-Kommutator-Hintermaschine 3 angeschlossen ist. 4_a ist die Kompensationswicklung der Hintermaschine, die außerdem noch mit einer Reihenschlußerregerwicklung· 4₆ ausgestattet sein kann. Die Hintermaschine ist direkt gekuppelt, sie kann aber auch fremd angetrieben sein. Ihre Erregerwicklung 5 wird in bekannter Weise von einer Erregermaschine* 6 erregt, die mit einer Kompensationswicklung y_a und mit kräftiger Reihenschlußerregerwicklung j_b ausgestattet ist, so daß ihr Ankerstrom der resultierenden Durchflutung ihrer fremderregten Erregerwicklungen proportional ist. Die Erregerwicklung 8 der Erregermaschine wird einerseits von der Schleifringspannung des Hauptmotors, anderseits in Reihe damit über einen Widerstand 9 von der Sekundärwicklung der zusätzlichen asynchronen Hilfsmaschine 10 gespeist, die mit dem Hauptmotor im umgekehrten Verhältnis der Polzahlen schlüpf ungsfrei gekuppelt ist und über den Transformator 11 vom Netz 1 mit konstanter Spannung gespeist wird. Da die Sekundärspannung der asynchronen Maschine 10 der Schleifringspannung des Hauptmotors proportional ist, wird bei entsprechender Schaltung und entsprechender Einstellung des konstanten Widerstandes 9, der das Mehrfache des mit der Schlüpfung wechselnden Widerstandes des Erregerkreises 8 bis 11 betragen muß, über die Erregermaschine in der Hintermaschine eine der Schleifringspannung des Hauptmotors gleiche und entgegengesetzt gerichtete Spannung induziert. Der über den Transformatori5 gespeiste, mit dem Hauptmotor ebenfalls gekuppelte Frequenzwandler 14 führt

schließlich in bekannter Weise der Erregerwicklung 12 der Erregermaschine über den regelbaren Widerstand 13 einen Strom zu, der die Wirk- und Blindleistung des Hauptmotors unabhängig von der Schlüpfung bestimmt. Statt die Hintermaschine 3 über die Erregermaschine 6 zu erregen, ist auch eine unmittelbare Erregung von den in Abb. 1 die Erregerkreise der Erregermaschine speisenden Spannungen aus möglich, und schließlich .kann auch eine gemischte Schaltung in Frage kommen, bei der eine Komponente des resultierenden Erregerstromes der Wicklung 5 unmittelbar, die andere über die Erregermaschine zugeführt wird.

Bildet sich bei der Kaskadenanordnung nach Abb. 1 eine freie, ungedämpfte Schwingung netzfremder Frequenz aus, so liefert die Asynchronmaschine 2 dabei Energie selbsterregter Frequenz in das. Netz. Da, wie schon erwähnt, der Widerstand des Netzes für die selbsterregte Frequenz klein, und zwar meist von gleicher Größenordnung oder auch viel kleiner als der Kurzschlußwiderstand der Asynchronmaschine ist, so arbeitet die Asynchronmaschine im selbsterregten Zustand ähnlich, als wenn ihre Klemmen widerstandslos kurzgeschlossen wären. Bezogen auf gleichen Wert des Induktionsflusses der Asynchronmaschine und gleiche Primärfrequenz ist also ihre Klemmenspannung im selbsterregten Zustand viel kleiner als im netzerregten Zustand, die Asynchronmaschine 10 wird also im selbsterregten Zustand mit viel kleinerer Spannung gespeist als im netzerregten Zustand. Es ist also auch bei gleichem Wert der Schleifringspannung des Motors 2 die gesamte, von der Schlüpfung abhängige Gegenspannung der Hintermaschine im selbsterregten Zustand kleiner als im netzerregten Zustand und damit das Zustandekommen der Selbsterregung erschwert oder sogar unmöglich gemacht. 16 ist der Antriebsmotor der Erregermaschine 6. Der Erfindungsgedanke ist auch anwendbar, wenn der Widerstand 9 etwas größer als der Wert ist, bei welchem im netzerregten Zustand der Einfluß der Schleifringspannung vollständig aufgehoben wird. In diesem Falle ist jedenfalls die Selbsterregungsgefahr größer, als wenn der Einfluß der Schleifringspannung des Hauptmotors voll zur Wirkung kommt, so daß die Verminderung der Gegenspannung im selbsterregten Zustand für die Beseitigung der Selbsterregungsgefahr notwendig sein kann.

Statt daß Schleifringspannung des Hauptmotors und Sekundärspannurig der Maschine 10 eine Erregerwicklung der Erregermaschine in Reihe speisen, können auch einer Erregerwicklung in Parallelschaltung zwei Ströme zugeführt werden, die den genannten Spannungen proportional sind, und schließlich kann auch die Erregerwicklung in zwei getrennte Wicklungen aufgelöst werden.

Statt, wie gezeichnet, die Ständerwicklung der asynchronen Hilfsmaschine 10 an das Netz anzuschließen, kann auch ihre Läuferwicklung an das Netz angeschlossen werden, wobei dann die S tänder wicklung den Widerstand 9 speist. Da auch der Läufer des Frequenzwandlers 14 an die Netzspannung angeschlossen ist, können beide Maschinen zu einer einzigen vereinigt werden, wobei sich die Schaltung Abb. 2 ergibt, in der nur die den Stromkreisen der Maschinen 10 und 14 in Abb. 1 entsprechenden Stromkreise gezeichnet sind. 14 ist wieder der über den Transformator 15 gespeiste, mit dem Hauptmotor im umgekehrten Verhältnis der Polzahlen beider Maschinen schlüpfungsfrei gekuppelte Frequenzwandler, dessen Kommutatorseite über den Regel wider stand 13 die Erregerwicklung 12 . der Erregermaschine 6 speist. Im Ständer des Frequenzumformers ist eine Mehrphasenwicklung 17 angeordnet, die mit der Ankerwicklung nicht in leitender Verbindung steht und über den Widerstand 9 die Erregerwicklung 8 der Erregermaschine speist, deren anderes Ende an die Schleifringe des Hauptmotors angeschlossen ist. Die in der Wicklung 17 induzierte Spannung ist bei konstantem Übersetzungsverhältnis des Transformator» 15 für den netzerregten Zustand der Schleifringspannung des Hauptmotors annähernd proportional, der Erregerkreis. 8 bis 17 der Abb. 2 wirkt also ebenso wie der Erregerkreis 8 bis 10 der Abb. 1. · Für die Kommutatorseite des Frequenzwandlers sind dabei die an sich bekannten Spielarten der Schaltung möglich, z. B. Steuerung des Erregerkreises 12 bis- 13 durch zwei gegenläufig bewegte Bürstensätze oder Anordnung von zwei unabhängig regelbaren Kreisen zur Einstellung der Wirk- und .der Blindleistung.

In Abb. ι und in Abb. 2 ist, wie erläutert, bezogen auf gleichen Induktionsfluß und gleiche Primärfrequenz des Vordermotors, die die Maschinen 10 und 14 primär speisende Spannung für den selbsterregten Zustand viel kleiner als für den netzerregten Zustand. Besonders günstig ist es, wenn diese Spannung für den selbsterregten Zustand ο ist, da dann die Selbsterregungsbedingungen für die Anlage die gleichen sind, als wenn der Wider-Standserregerkreis ausschließlich von der Schleifringspannung des Hauptmotors erregt wird, während sein Widerstand so bemessen ist, daß nur die Summe aus Schleifringspannung und Spannung der Maschine ro im netzerregten Betrieb eine der Schleifringspannung gleiche und entgegengesetzt gerichtete Ro-

tationsspannung der Hintermaschine induziert. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Asynchronmaschine io der Abb. ι (bzw. der Frequenzwandler 14 der Abb. 2) nicht vom Netz aus, sondern nach Abb. 3 in bekannter Weise von einem Synchrongenerator i'8 gespeist wird, der mit einem über den Transformator 20 an das Netz 1 angeschlossenen Synchronmotor 19 gleicher Polzahl starr gekuppelt ist. Bei konstanter Erregung des Generators 18 ist seine Spannung konstant, ebenso wie die Netzspannung im netzerregten Betrieb. Für den netzerregten Zustand ist die Schaltung Abb. 3 also der Schaltung Abb. 1 gleichwertig. Während aber im selbsterregten Zustand sich in Abb. 1 auch über die Spannung an den Sammelschienen eine wenn auch kleine, selbsterregte Spannung überlagert, die den Widerstandserregerkreis beeinflußt, kann ao diese Spannung in Abb.. 3 die Spannung des Generators 18 und damit den Widerstandserregerkreis 10-9 überhaupt nicht beeinflussen, solange der Motor 19 synchron mit dem netzerregten Zustand läuft.

Die Asynchronmaschine 10 der Abb. 1 kann auch durch eine mit Schlupffrequenz rotierende, konstant erregte Synchronmaschine mit geringer Ankerrückwirkung ersetzt werden. Diese Maschine speist den Widerstandserregerkreis 8-9 ebenfalls mit einer Spannung, die der Schlüpfung und damit angenähert der Schleifringspannung des Hauptmotors im netzerregten Betrieb proportional ist. Die verlangte Rotationsfrequenz der Synchronmaschine wird dadurch erreicht, daß sie entweder mit einem an die Schleifringe des Hauptmotors angeschlossenen Synchronmotor gleicher Polzahl oder mit einem Differentialgetriebe gekuppelt wird, das einerseits von einem an das Netz angeschlossenen Synchronmotor, anderseits von der Hauptmaschine 2 angetrieben wird. Auch bei dieser Schaltung kann die an den Sammelschienen bestehende selbsterregte Spannung nicht in den Widerstandserregerkreis übertreten, die Einleitung der Selbsterregung ist also unmöglich gemacht. Durch äußeren Eingriff- kann in allen Schaltungen die zusätzliche, den Widerstandskreis speisende Spannung geregelt werden, um den Zusammenhang zwischen der Drehzahl und der Leistung des Hauptmotors zu beeinflussen.

Die Selbsterregung kann ferner dadurch erschwert werden, daß in bekannter Weise an den niederfrequenten Stromkreis der Kaskade und vorzugsweise an die Klemmen der Erregerwicklung 5 der Hintermaschine ein in Abb. ι nicht gezeichneter leer laufender, synchroner oder asynchroner Motor (Saugmotor) angeschlossen wird, dessen Stromaufnahme für den netzerregten Zustand sehr ■ klein, für den selbsterregten Zustand aber, solange er wenigstens annähernd synchron mit der netzerregten Schlupffrequenz läuft, sehr groß ist. Diese Maschine stellt also für den selbsterregten Strom annähernd einen Kurzschluß dar und erschwert oder verhindert damit die Entstehung dieses Stromes.

Wenn, wie es oft der Fall ist, die selbsterregte Frequenz im sekundären Kreis größer als der größte betriebsmäßig auftretende Wert der rietzerregten Schlupffrequenz ist,- kann die Selbsterregung auch dadurch erschwert Averden, daß im Nebenschluß zu einer Stelle des Erregerkreises, und zwar vorzugsweise zu den Ankerklemmen der Erregermaschine, ein Ohmscher Widerstand angeschlossen wird. Da für konstanten Wert der selbsterregten Rotationsspannung der Hintermaschine deren Erregerspannung mit der Frequenz des selbsterregten Stromes steigt, ist die Stromaufnahme dieses Widerstandes um so größer, je größer die selbsterregte Frequenz im Lauf er kreis ist. Auch wenn der Widerstand so groß gewählt wird, daß er die Stromverteilung im netzerregten Zustand nicht merklich beeinflußt, nimmt er also im selbsterregten Zustand einen Strom erheblicher Größe auf und erschwert· daher die Selbsterregung. Schließlich kann es auch vorteilbaft sein, den Widerstand des Erregerkreises 5-7 (Abb. 1) durch Einschaltung eines zusätzlichen Ohmschen oder induktiven Widerstandes in diesen Kreis zu erhöhen.

Erfahrungsgemäß wird ferner die Selbsterregung erschwert, wenn die mit der Schlüpfung veränderliche Spannungskompo- · nente der Hintermaschine der Schleifringspannung des Hauptmotors nicht- entgegengerichtet, sondern um einen gewissen Winkel dagegen phasenverschoben ist. Wenn der Verschiebungswinkel nicht sehr groß ist, ist die aus beiden Spannungen resultierende Spannung gegen die Schleifringspannung annähernd 90⁰ phasenverschoben, ist also fast ohne Einfluß auf die Wirkleistung des Hauptmotors und beeinflußt nur die Blindleistung. Die Phasenverschiebung zwischen der Schleifringspannung des Hauptmötors und der veränderlichen Gegenspannung der Hintermaschine kann dadurch erreicht werden, daß die Spannung der zusätzlichen Maschine im Widerstandserregerkreis, z. B. durch entsprechende Wahl des Aufkeilwinkels der Maschine, um einen bestimmten Winkel gegen die Schleifringspannung des Hauptmotors phasenverschoben ist, oder auch dadurch, daß die Erregerwicklung 8 der Erregermaschine mit Phasenüberlappung ausgeführt wird. Oft muß dabei über synchron ein anderei- Wert des Phasenverschiebungswinkels gewählt werden als untersynchron, was eine entsprechende

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Umschaltung bei Durchgang durch Synchronismus bedingt. Diese Umschaltung kann in bekannter Weise durch einen an den Läuferkreis der Kaskade angeschlossenen Hilfsmotor eingeleitet werden, der bei übersynchroner Phasenfolge ein Drehmoment entgegengesetzter Richtung ausübt wie bei untersynchroner. Statt dessen kann die Umschaltung auch durch einen mit dem Saugmotor gekuppelten Drehrichtungsschalter eingeleitet werden, da ja die Drehrichtung des Saugmotors bei iibersynchronem Lauf entgegengesetzt ist wie bei untersynchronem Lauf.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schaltung zur Verhinderung der Selbsterregung einer Kaskade, bestehend aus asynchronem Hauptmotor und Kommutatorhintermaschine, bei welcher durch einen Erregerkreis (Widerstandserregerkreis) in der Hintermaschine unmittelbar oder unter Zwischenschaltung einer Erregermaschine eine der netzerregten Schleifringspannung der Asynchronmaschine wenigstens angenähert entgegengesetzt gleiche Spannung induziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandserregerkreis in Reihe zur Schleifringspannung des Hauptmotors entweder von der Sekundärspannung einer mit der Rotationsfrequenz des Hauptmotors rotierenden, primär mit Netzfrequenz gespeisten Asynchronmaschine oder von der Ankerspannung einer mit der Schlupffrequenz des Hauptmotors rotierenden, konstant erregten Synchronmaschine mit kleiner Ankerrückwirkung gespeist wird.

2. Kaskadenschaltung nach Anspruch 1, 4.0 bei der die Hintermaschine zusätzlich über einen Frequenzwandler erregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Primärwicklung der in den Widerstandserregerkreis geschalteten Asynchronmaschine die Schleifringwicklung des Frequenzwandlers und als Sekundärwicklung eine auf dessen Ständer angeordnete, von der Kommutator wicklung elektrisch" getrennte Wicklung verwendet wird.

3. Kaskadenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung der in den Widerstandserregerkreis geschalteten Asynchronmaschine vom Netz über einen Synchron-Synchron-Umformer gespeist wird.

4. Kaskadenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise im Nebenschluß zu einer Stelle des niederfrequenten Kreises der Kaskade, vorzugsweise im Nebenschluß zu den Erregerklemmen der Hintermaschine, ein leer laufender synchroner oder asynchroner Motor angeschlossen wird.

5. Kaskadenschaltung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß im Nebenschluß zu einer Stelle des niederfrequenten Kreises, und zwar vorzugsweise im Nebenschluß zu den Ankerklemmen der Erregermaschine, ein Ohmscher Widerstand angeschlossen wird.

6. Kaskadenschaltung nach Anspruch 1, bei der die Hintermaschine über eine Kommutatorerregermaschine erregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindungsleitumgen zwischen den Ankerklemmen der Erregermaschine und den Erregerklemmen der Hintermaschine ein zusätzlicher Ohmscher oder induktiver Widerstand geschaltet wird.

7. Kaskadenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Widerstandserregerkreis induzierte Rotationsspannung der Hintermaschine gegen die Schleifringspannung des Hauptmotors um einen von i8o° abweichenden, konstanten oder mit der Schlüpfung wechselnden Winkel phasenverschoben ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen