DE537217C - Kaskadenschaltung von asynchroner Vordermaschine mit zwei in Reihe liegenden Kommutatorhintermaschinen - Google Patents

Description

Die Abhängigkeit der Drehfeldleistung einer Asynchronmaschine von ihrer Schlüpfung kann bekanntlich dadurch beeinflußt werden, daß durch eine Kommutatorhintermaschine in ihrem Läuferkreis eine der Schleifringspannung (oder der Schlupfspannung) der Asynchronmaschine entgegengerichtete, ihr proportionale und eine konstante Spannung eingeführt werden. Ist die eine Spannungskomponente der Hintermaschine der Schleifringspannung der Asynchronmaschine jeweils entgegengesetzt gleich, so ist die Drehfeldleistung der Asynchronmaschine unabhängig von der Schlüpfung. Mit wachsender Schlüpfung wächst dabei die Leistung der Hintermaschine proportional der Schlüpfung. Die Erregerleistung aber wächst stärker als die Schlüpfung, wodurch, wenn die verlangte Schlüpfung sehr groß ist, die im Erregerkreis erforderlichen Maschinen und Appa-

ao rate unwirtschaftlich groß werden können. Besonders nachteilig wird dies empfunden, wenn für normale Betriebsbedingungen die max verlangte Schlüpfung des Hauptmotors gering ist Und wenn nur zeitweise, z. B. weil der Hauptmotor an ein Netz abweichender Frequenz angeschlossen wird, eine wesentlich größere Schlüpfung verlangt wird. In diesem Falle muß auch bei kleiner Schlüpfung eine große Hintermaschine mit großem Zubehör und entsprechend hohen Verlusten verwendet werden.

Für sehr große Schlüpfung hat man schon

vorgeschlagen, die Leistung der Hintermaschine auf zwei in Reihe liegende Einheiten aufzuteilen, von denen bei Heiner Schlüpfung nur eine, bei großer Schlüpfung beide eingeschaltet sind. Werden als Hintermaschinen eine der Phasenzahl entsprechende Zahl von Einphasenmaschinen verwendet, so ist deren Reihenschaltung ohne Schwierigkeit möglich. Bei Verwendung von Mehrphasenmaschinen wird zweckmäßig die Läuferwicklung des Hauptmotors in offener Schaltung, alsomitsechsSchleifringen, ausgeführt und die eine Hintermaschine an die Anfänge, die andere an die Enden der Läuferwicklung angeschlossen.

Erfindungsgemäß soll nun die resultierende, durch die Hintermaschine zu induzierende Spannung derart auf zwei Maschinen aufgeteilt werden, daß in der einen Hintermaschine (zweite Maschine) eine von der Schlüpfung unabhängige und konstante, der Schlupfspannung des Hauptmotors entgegengerichtete Spannung und in der anderen Hintermaschine (erste Maschine) die Summe aus einer konstanten, der Schlupfspannung des Hauptmotors gleich- oder entgegengerichteten und aus einer der aufgeprägten Klemmenspannung des Ankerkreises der ersten Hintermaschine proportionalen Spannung induziert werden. Ist diese proportionale Spannungskomponente der ersten Hintermaschine ihrer Klemmenspannung entgegengesetzt gleich, so ist dabei die Drehfeldleistung der Asynchronmaschine konstant. Zur näheren Erläuterung diene das Bild der Fig. 1.

In ihm ist AB die Schlupf spannung des Hauptmotors bei Schlupf OA. Bei wechselnder Schlüpfung wandert Punkt B auf der Geraden b, deren Teil links von Punkt O dem übersynchronen Lauf entspricht. Zur Erzielung konstanter Drehfeldleistung des Hauptmotors muß die resultierende Spannung der Hintermaschinen, soweit sie die Drehzahl beeinflußt, beispielsweise C₁A oder, bei entgegengesetztem Vorzeichen der Spannung, C₂A sein. Bei wechselnder Schlüpfung müssen die Punkte C₁ und C. auf den zu b parallelen Geraden C₁ oder c₂ wandern. Werden in bekannter Weise in einer einzigen Maschine eine der Schleifringspannung des Hauptmotors entgegengesetzt gleiche Spannung BA und eine konstante Spannung C₁ oder C₂ B induziert, so bedingt dies meist Erregung der Hintermaschine über Ohmsche Widerstände, die bei großer Schlüpfung unzulässig große Verluste und unter Umständen auch unzulässig große Hintermaschinen im Erregerkreis ergeben können. Bei der neu vorgeschlagenen Form der Kaskadenschaltung wird nun in der zweiten Hintermaschine eine konstante Spannung induziert, die zweckmäßig gleich dem Mittelwert der im ganzen Regelbereich auftretenden Schlupfspannung der Asynchronmaschine (oder gleich dem in einem Teil des Regelbereiches auftretenden Mittelwert) gemacht wird. Wenn in Fig. ι nur eine Regelung zwischen den Schlupfwerten OA₁ und OA₂ verlangt ist, wird also die Spannung der zweiten Hintermaschine zweckmäßig gleich BA gemacht. Bei wechselnder Schlüpfung wandert also Punkt B als Endpunkt der Spannung der zweiten Hintermaschine auf der Geraden ä. Zur Erzeugung dieser konstanten Spannung BA kann die Ständererregerwicklung der zweiten Hintermaschine unmittelbar oder unter Zwischenschaltung von induktivem Widerstand von der Sekundärspannung des Hauptmotors gespeist werden. Da nämlich speisende Spannung und Widerstand des Erregerkreises der Schlüpfung proportional sind, sind der Erregerstrom und (bei konstanter Drehzahl) die Ankerspannung .der zweiten Hintermaschine konstant.

Müßte nun in der gleichen Maschine noch eine irgendeinem anderen Gesetz folgende Spannungskomponente induziert werden, beispielsweise eine der Schlupfspannung des Hauptmotors proportionale, s® würde dies eine wesentliche umständliche Schaltung bedingen, da durch den Anschluß der Erregerwicklung an die Sekundärwicklung des Vordermotors der mit der Wicklung verkettete Fluß festgelegt ist.

An den Ankerklemmen der ersten, an den andern Schleifringsatz des Hauptmotors angeschlossenen Hintermaschine herrscht die Summe (z. B. D₃ B₃) aus der Schlupf spannung des Hauptmotors und aus der Spannung der zweiten Hintermaschine. Wird nun in an sich bekannter Weise ein mit annähernd konstantem Widerstand ausgeführter Erregerkreis dieser ersten Hintermaschine an ihre Ankerspannung angeschlossen, so wird in der ersten Hintermaschine eine der genannten Spannung D₃ B₃ proportionale Spannung induziert, die bei entsprechender Schaltung des Erregerkreises und entsprechender Bemessung des Widerstandes der genannten Spannung entgegengesetzt gleich ist. In diesem Fall ist die Summe aller bisher betrachteten Spannungen im Läuferkreis einschließlich der Schlupfspannung des Vordermotors Null. Wird nun in der ersten Hintermaschine noch eine weitere Spannung 5C₁ oder 5C₂ induziert, so ist diese identisch mit der resultierenden Spannung im Läuferkreis, der Läuferstrom und Drehmoment des Vordermotors proportional sind. Ist diese Spannung bei wechselnder Schlüpfung konstant, so wird die resultierende Spannung im Läuferkreis wieder durch die Ordinatendifferenz zwischen den Geraden b und C₁ oder C₂ dargestellt, die Drehfeldleistung des Hauptmotors ist unabhängig von der Schlüpfung und konstant. Da bei entsprechender Bemessung der Spannung der zweiten Hintermaschine die resultierende Spannung der ersten, meist über Widerstände erregten Hintermaschine klein ist, sind auch die Erregerverluste kleiner, als wenn die resultierende Spannung der Hintermaschinen in einer einzigen über Widerstände erregten Maschine induziert wird. Die durch die neue Schaltung erzielte Vereinfachung und Verlustverkleinerung beruht also darauf, daß eine konstante Spannung in der Hintermaschine in einfachster und wirtschaftlicher Weise erreicht werden kann. Diese Aufgabe wird deshalb einer besonderen Hintermaschine (der zweiten Hintermaschine) übertragen, während die Erzeugung der zusätzlich noch erforderlichen Spannung, die wenigstens eine von der Schlüpfung abhängige Komponente enthält und nur in weniger einfacher Weise zu erreichen ist, einer weiteren besonderen Hintermaschine (der genannten ersten Hintermaschine) übertragen wird.

Wird dabei die konstante Spannung der zweiten Hintermaschine gegenüber dem Diagramm der Fig. 1 noch um die von der ersten Hintermaschine zu liefernde konstante Spannung vergrößert oder verkleinert und entsprechend die konstante Spannungskomponente der .rsten Hintermaschine gleich Null gesetzt, so ist bei der bisher behandelten Bemessung der ersten Hintermaschine die resultierende Spannung im Läuferkreis der Asynchronmaschine dauernd Null, da ja stets die Summe aus der Spannung der zweiten Hintermaschine und der Schlupfspannung der Asynchronmaschine durch die von der Klemmenspannung der Maschine abhängige Spannungskomponente der ersten Hintermaschine aufgehoben wird. Einstellung

einer konstanten Drehfeldleistung des Vordermotors bedingt also stets die Erzeugung einer ihr proportionalen, konstanten Spannungskomponente C₁B in der ersten Hintermaschine. Soll die Drehfeldleistung des Vordermotors sich mit der Schlüpfung ändern, aber anderen Wert als bei spannungsloser Hintermaschine haben, so darf die der Klemmenspannung D₃ B₃ der ersten Hintermaschine proportionale Ankerspannung B₃ D₃ der Klemmenspannung nicht entgegengesetzt gleich sein, muß sich von ihr vielmehr um einen dieser Klemmenspannung proportionalen Betrag unterscheiden. Die Asynchronmaschine arbeitet dabei mit bestimmter Leerlaufschlüpfung und einem der Belastung proportionalen Zusatzschlupf, wobei die Leerlaufschlüpfung von der Größe der Spannungen beider Hintermaschinen, der Zusatzschlupf nur von der der Klemmenspannung proportionalen Spannungskomponente der ersten Hintermaschine abhängt.

Die Verluste in den Erregerkreisen der ersten Hintermaschine können verkleinert werden, wenn die Hintermaschine nicht unmittelbar, sondern unter Zwischenschaltung einer Einzeloder Doppelerregermaschine bekannter Bauart, die sehr starke magnetische Rückwirkung des Ankerstromes besitzt oder in Reihenschaltung von dieser Erregermaschine und einer der Klemmenspannung der Hintermaschine proportionalen Spannung erregt wird.

Ein Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 2, in der alle Verbindungen einphasig gezeichnet sind, die aber für beliebige Phasenzahl gilt. 1 ist das Netz, an das die zu regelnde Asynchronmaschine 2 angeschlossen ist. Die Asynchronmaschine ist mit offener Läuferwicklung und zwei Schleifringsätzen z^a und z^b ausgeführt. An 2^a ist die erste Hintermaschine 3, an 2^b die zweite Hintermaschine 6 angeschlossen. Die Maschine 3, die mit dem Hauptmotor gekuppelt ist, aber auch getrennt angetrieben sein kann, tragt eine Kompensationswicklung 4. Zweckmäßig wird sie außerdem mit einer in Reihe dazu liegenden ebenfalls durch 4 angedeuteten Reihenschlußerregerwicklung ausgestattet. Die fremderregte Erregerwicklung 5 wird vom Ankerkreis der Erregermaschine 9 gespeist. Die zweite Hintermaschine 6 trägt eine Kompensationswicklung 7 und eine zwischen die Schleifringsätze 2^it und 2^b angeschlossene Erregerwicklung 8. Die Wicklung 8 ist so zu schalten, daß die durch sie induzierte Ankerspannung der Maschine 6 der Schlupfspannung der Maschine 2 genau oder angenähert entgegengerichtet ist. Die Maschine 6 führt man zweckmäßig ohne Reihenschlußerregerwicklung aus. Der Ankerkreis der Erregermaschine 9 ist über die Kompensations- und Reihenschlußerregerwicklung io, welche Proportionalität zwischen dem Ankerstrom und dem Summenstrom der Erregerwicklung 11 und 13 erzwingt, an die Wicklung 5 der ersten Hintermaschine angeschlossen. Die Widerstandserregerwicklung π der Erregermaschine wird über den Widerstand 12 von der an den Schleifringen 2^a der Asynchronmaschine bestehenden Spannung gespeist. Die Wicklung 11 ist so geschaltet, daß ihr Strom eine der Klemmenspannung D₃ B₃ entgegengerichtete Ankerspannung in der Hintermaschine 3 induziert, deren Größe vom Widerstand 12 abhängt und bei bestimmtem Widerstandswert der Klemmenspannung entgegengesetzt gleich ist. Die konstant erregte Erregerwicklung 13 wird über den Widerstand 14 von der Kommutatorspannung des Frequenzwandlers 15 gespeist, dessen Schleifringe über den Transformator 16 an das Netz angeschlossen sind. Die Widerstände 12 und 14 sollen das Mehrfache des mit der Schlüpfung wechselnden Widerstandes der in Reihe liegenden Erregerwicklungen betragen, 17 ist der gemeinsame Antrieb zu 6 undg. Beide Maschinen können auch vom Vordermotor oder von getrennten Maschinen angetrieben werden. Die Erregerwicklung 5 der Hintermaschine ist in Stern oder Dreieck geschaltet. Sie kann aber auch offen sein, wobei ihre Enden, wie punktiert angedeutet, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Transformators an die Schleifringe z^a des Vordermotors angeschlossen werden. Dadurch wird eine Verkleinerung der in der Erregermaschine 9 zu induzierenden Ankerspannung erreicht. Die von der Schlüpfung abhängige Spannungskomponente der Maschine 3 wird durch Regelung des Widerstandes 12, die konstante Spannungskomponente durch-Regelung des Widerstandes 14 oder durch Verschiebung eines einfachen oder doppelten Bürstensatzes des Frequenzwandlers oder durch Regelung der Schleifringspannung des Frequenzumformers oder durch mehrere Mittel gemeinsam geregelt.

Schwankt die Schlüpfung der Asynchronmaschine in sehr weiten Grenzen, so können die erste Hintermaschine und besonders ihre Erregerkreise dadurch entlastet werden, daß die Spannung der zweiten Hintermaschine mit wechselnder Schlüpfung derart geregelt wird, daß die von der ersten Hintermaschine aufzubringende Spannung verkleinert wird. Diese Spannungsregelung der zweiten Hintermaschine kann durch Anschluß anderer Anzapfungen ihrer Erregerwicklung 8 oder durch Übersetzüngsänderung an einem die Wicklung speisenden, in Fig. 2 nicht gezeichneten Transformator geregelt werden, dessen Primärwicklung zwischen den Schleifringen 2^a und 2* angeschlossen ist. _ An Stelle des Transformators mit regelbarem Übersetzungsverhältnis kann auch eine Erregermaschine treten, welche der zwischen den Schleifringen bestehenden Spannung eine regelbare Zusatz- oder Gegenspannung hinzufügt.

Ändert die Schlüpfung des Vordermotors ihr Vorzeichen, so wird durch die Spannung der zweiten Hintermaschine, die bei Schaltung nach Fig. 2 ihre Richtung gegenüber der Schlupfspannung des Hauptmotors umkehrt, die erste Sintermaschine nicht mehr entlastet, sondern zusätzlich belastet. Um dies zu vermeiden, muß bei Durchgang durch Synchronismus der Wickelsinn der Erregerwicklung der zweiten xo Hintermaschine oder die Richtung der sie speisenden Spannung gegenüber der Schlupfspannung des Hauptmotors umgekehrt werden. Besonders wertvoll ist die neu vorgeschlagene Anordnung, wie schon einleitend erwähnt, wenn der Mittelwert der Schlüpfung der Asynchronmaschine, der sich stets in gewissen Grenzen ändert, zeitweise groß ist, zeitweise aber sehr klein oder auch Null ist. In diesem Fall kann bei kleiner Schlüpfung die zweite ao Hintermaschine abgeschaltet und die zu ihr führenden Leitungen innerhalb oder außerhalb des Läufers der Asynchronmaschine zum Sternpunkt verbunden werden. Die Asynchronmaschine wird dabei ausschließlich durch die erste Hintermaschine geregelt, wobei ohne jede weitere Schaltungsänderung wieder eine mit der Schlüpfung des Vordermotors wechselnde oder eine von der Schlüpfung unabhängige und konstante Drehfeldleistung des Vordermotors erreicht wird. Durch die Abschaltung der zweiten Hintermaschine werden deren Verluste vermieden. Besonders zweckmäßig kann es sein, die zweite Hintermaschine getrennt anzutreiben, auch wenn die erste Hintermaschine mit der Asynchronmaschine gekuppelt ist, um bei Abschaltung der Maschine auch deren Reibungsverluste durch StiUsetzung zu beseitigen. Wenn für eine neu zu erstellende Anlage erst in weiter Zukunft große Schlupfwerte, zunächst aber nur kleine Schlupfwerte zu erwarten sind, kann sogar eine spätere Nachlieferung der zweiten Hintermaschine in Frage kommen, so daß die Anlage zunächst in bekannter Weise nur mit einer Maschine arbeitet. Wenn die Schlüpfung betriebsmäßig dauernd in sehr weiten Grenzen schwankt, kann die zweite Hintermaschine, sobald die Schlüpfung unter einen gewissen Wert sinkt, jeweils selbsttätig oder von Hand abgeschaltet werden.

Die Spannung der zweiten Hintermaschine ist bei Schaltung nach Fig. 2 infolge des Einflusses des Ohmschen Widerstandes des Erregerkreises bei wachsender Schlüpfung nach Größe und Phasenlage nicht genau konstant. Der Einfluß des Widerstandes auf die Phasenlage der Spannung kann aber durch Einführung der Erregerwicklung in entsprechend überlappter Schaltung verkleinert werden. Er kann ganz beseitigt werden, wenn in den Erregerkreis eine weitere Spannungsquelle, z. B. ein Frequenzwandler, eingeschaltet wird, der eine Spannung gleich dem konstanten Ohmschen Spannungsabfall des Erregerstromes einführt, die also auch bei einem Wechsel des Vorzeichens der Schlüpfung stets die Richtung des Erregerstromes haben muß. Auch wenn der Widerstandserregerkreis der ersten Hintermaschine auf konstante Drehfeldleistung des Vordermotors eingestellt wird, bleibt diese infolge verschiedener Nebeneinflüsse nicht konstant.

AUe störenden Nebeneinflüsse können aber dadurch ausgeglichen werden, daß die die Leistung der Asynchronmaschine bestimmende Komponente des Erregerstromes der ersten Hintermaschine durch einen Leistungsregler zusätzlich so geregelt wird, daß die durch Nebeneinflüsse bewirkten Leistungsschwankungen ausgeglichen werden. Durch Regelung dieser Stromkomponente kann auch jede Abhängigkeit der Leistung der Vordermaschine von irgendeiner Betriebsgröße erreicht -werden. Die Blindleistung der Asynchronmaschine wird einesteils durch eine Komponente des Erregerstromes der ersten Hintermaschine, welche gegen die die Leistung bestimmende Komponente 90 ° phasenverschoben ist, und anderseits ebenfalls durch die angedeuteten Störüngseinflüsse beeinflußt. Durch Regelung dieser Stromkomponente kann die Blindleistung des Vordermotors auf jeden verlangten Wert eingestellt, durch go selbsttätige Regelung dieser Stromkomponente jedes Gesetz für die Abhängigkeit der Blindleistung von irgendeiner Betriebsgröße erfüllt werden.

Der Erfindungsgedanke ist auch anwendbar, wenn an Stelle der Mehrphasenhintermaschine mehrere Einphasenmaschinen, oder wenn an Stelle der ständererregten Hintermaschine läufererregte Hintermaschinen verwendet werden.

Claims (10)

1. Patentansprüche:

   i. Kaskadenschaltung von asynchroner Vordermaschine mit zwei in Reihe liegenden Kommütatorhintermaschinen dadurch gekennzeichnet, daß beispielsweise in der zweiten Hintermaschine (6) eine von der Schlüpfung unabhängige und konstante, der Schlupfspannung des Vordermotors entgegengerichtete Spannung induziert wird, und daß die Ankerspannung der ersten Hintermaschine (3) sich aus einer konstanten, der Schlupfspannung des Vordermotors gleich- oder entgegengerichteten und infolge der Reihenschaltung der Schlupf spannung der Vordermaschine (2) mit der ihr entgegengerichteten Spannung der zweiten Hintermaschine aus einer der Klemmenspannung der ersten Hintermaschine proportionalen und ihr entgegengerichteten Spannungskomponente zusammensetzt.
2. 2. Kaskadenschaltung nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß die der Klemmenspannung der ersten Hintermaschine proportionale Ankerspannung ihr entgegengesetzt gleich ist.
3. 3. Kaskadenschaltung nach Anspruch 1, wobei die erste Hintermaschine eine ständererregte Hintermaschine ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie über Stromkreise mit von der Schlüpfung annähernd unabhängigem Widerstand, und zwar getrennt von der Klemmenspannung ihres Ankerkreises und von einer konstanten Spannung, beispielsweise der Kommutatorspannung eines Frequenzwandlers, erregt wird.
4. 4. Kaskadenschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hintermaschine über eine entsprechend erregte Einzel- oder Doppelerregermaschine mit sehr starker magnetischer Rückwirkung des Ankerstromes erregt wird.
5. 5. Kaskadenschaltung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hintermaschine in Reihe von der Ankerspannung der Erregermaschine und von einer der Klemmenspannung der Hintermaschine proportionalen Spannung erregt wird.
6. 6. Kaskadenschaltung nach Anspruch 1, wobei die zweite Hintermaschine eine ständererregte Maschine ist, dadurch gekennzeichnet, daß ihr mit überwiegend induktivem Widerstand ausgeführter Erregerkreis von der Sekundärspannung des Vordermotors unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines Transformators mit konstantem oder regelbarem Übersetzungsverhältnis gespeist wird.
7. 7. Kaskadenschaltung nach Anspruch x, dadurch gekennzeichnet, daß nach bekanntem Verfahren bei einem Wechsel des Vorzeichens der Schlüpfung des Vordermotors der Wickelsinn der Erregerwicklung der zweiten Hintermaschine oder die Richtung der sie speisenden Spannung, verglichen mit der Sekundärspannung des Vordermotors, umgekehrt wird.
8. 8. Kaskadenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei kleiner Schlüpfung des Vordermotors die zweite Hintermaschine abgeschaltet wird.
9. 9. Kaskadenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Wirkleistung bestimmende Erregerkreis der ersten Hintermaschine in Abhängigkeit von irgendeiner Betriebsgröße selbsttätig geregelt wird.
10. 10. Kaskadenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Blindleistung bestimmende Erregerkreis der ersten Hintermaschine in Abhängigkeit von irgendeiner Betriebsgröße selbsttätig geregelt wird.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen