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Selbsttätige Regeleinrichtung zur Erzielung der Unabhängigkeit der
Leistung als Frequenzumformer arbeitender Motorgeneratoren von den Schwankungen
der Frequenz zweier durch sie gekuppelter Netze Werden zwei Netze gleicher oder
verschiedener Frequenz durch als Frequenzumforiner arbeitende Motorgeneratoren gekuppelt,
dann ist die durch den Frequenzumformer übertragene Leistung abhängig von den Frequenzen
der beiden gekuppelten Netze. Jede Änderung einer dieser beiden Frequenzen bedingt
eine entsprechende Leistungsänderung des Frequenzumformers, wenn nicht Maßnahmen
getroffen werden, welche dem entgegenwirken. Zu diesem Zwecke ist bereits vorgeschlagen
worden, die beiden Netze über als Frequenzumformer arbeitende Motorgeneratoren zu
koppeln, wobei der eine Teil des Frequenzumformers eine an das eine Netz angeschlossene
Induktionsmaschine ist, an deren Läufer eine Kommutatorhintermaschine angeschlossen
ist. In diesem Falle läßt sich für den Fall, daß sich eine oder beide Netzfrequenzen
aus irgendeinem Grunde ändern sollten, durch Regelorgane, welche in Abhängigkeit
von der Netzfrequenz oder von dem Energiefluß des Umformers selbsttätig gesteuert
werden, die Erregung derKommutatormaschine derart beeinflussen, daß die den Umformer
durchströmende Leistung in wählbarer Abhängigkeit von den Veränderungen des Netzes
steht. Es kann hierbei die Regelung des Energieflusses auch in dem Sinne erfolgen,
daß die von dem einen Netz an das andere Netz abgegebene Leistung stets konstant
gehalten wird. Die Unabhängigkeit derLeistung von denSchwankungen kann aber auch
ohne Verwendung mechanischer Regelorgane in einfacherer Weise durch Einrichtungen
erzielt werden, welche den unmittelbaren Einfluß der Netzgrößen auf die Erregung
der Kommutatorhintermaschine vermitteln, und es ist Gegenstand der Erfindung eine
selbsttätige Regeleinrichtung zur Erzielung der Unabhängigkeit der Leistung als
Frequenzumformer arbeitender Motorgeneratoren von den Schwankungen der Frequenz
zweier durch sie gekuppelter Netze, also die Konstanthaltung des Energieflusses
durch den Umformer, wobei der eine Teil des Frequenzumformers eine an das eine Netz
angeschlossene Induktionsmaschine ist, an deren Läufer eine Kommutatorhintermaschine
angeschlossen ist, welche von einem mit der Induktionsmaschine gekuppelten Frequenzwandler
erregt wird, der von einer variablen Spannung gespeist wird, die sich jeweils aus
einer auf die Drehzahl der Induktionsmaschine einwirkenden konstanten Spannung und
einer entgegenwirkenden, von der Belastung der Induktionsmaschine abhängigen Spannung
zusammensetzt.
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Ein Ausführungsbeispiel dieser Einrichtung ist durch Fig. i_ dargestellt.
In dieser Figur bedeutet i die den einen Teil des Frequenzumformers
darstellende
Induktionsmaschine, 2 deren- als fremderregte Dreiphasenkommutatorma_sch_irie_a_usgebildete
Erregermaschine, 3 einen Frequenzwandler zur Speisung der Erregerwicklung der Erregermaschine,
einen eine konstante Spannung liefernden Transformator, dessen Primärwicklung an
das die Maschine i speisende Netz angeschlossen ist, 5 einen primär in Reihe zum
Primärteil der Maschine i geschalteten Transformator, dessen Magnetkreis einen relativ
hohen magnetischen Widerstand (z. B. Luftspalt) erhält, damit er einen großen Magnetisierungsstrom
verbraucht und die Sekundärspannung möglichst proportional dem die Primärwicklung
durchfließenden Strom ist.
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Die Sekundärwicklungen der Transformatoren d. und 5 sind in Reihe
geschaltet, aber so, daß an den Schleifringen des Freqüenzwandlers 3 die Differenz
dieser Spannungen auftritt. Sind die beiden Sekundärspannungen genau in Gegenphase
und einander gleich, dann ist die resultierende Spannung an den Schleifringen gleich
Null. Im allgemeinen wird sich aber je nach dem Strom der Maschine i eine von Null
abweichende Spannung an den Schleifringen einstellen. Die zweite mit der gezeichneten
Induktionsmaschine gekuppelte Maschine des Frequenzumformers, welche an das zweite
Netz angeschlossen ist, ist in Fig. i nicht dargestellt.
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Wenn man untersucht, wie der Erregerstrom der Induktionsmaschine geändert
werden muß, damit ihre Leistung bei Änderung der Frequenz, also bei Variation der
Schlüpfung, konstant bleibt, dann ergibt sich, daß sich der Velttor des Erregerstromes
auf einer zur Ordin.atenachse parallelen Geraden y y' (Fig. 2) bewegen muß, wenn
die Ordinatenachse dieSchlupfspannung bzw. die Schlüpfung selbst darstellt. Jedem
Wert der Schlüpfung ist dann ein Erregerstrom o a, o b, o c zugeordnet,
und es liegen die Punkte a, b, c auf der Geraden y y', welche parallel zu
0 A verläuft. Da nun aber die Erregerwicklung der Erregermaschine 2 Ohmschen Widerstand
und Selbstinduktion besitzt, ist die Größe der Erregerspannung, welche der Erregerwicklung
zugeführt werden muß, auch eine Funktion der Frequenz des Erregerstromes. Jedem
Wert des Erregerstromes 1e (- o a, o b, o c)
ist also eine Impedanz
j/rz +C02 L2 zuzuordnen, in welcher der Wert der Frequenz w je-
weils der
zugehörigen Schlüpfung entsprechend einzusetzen ist. Trägt man den Wert I, # r derart
auf, daß die Vektoren o ca, o b, o c
zugleich auch den Ohmschen Abfall
in der Erregerwicklung bedeuten, dann ist der Wert des induktiven Abfalles 1e a)
L jeweils senkrecht zum Ohmschen aufzutragen, um den resultierenden Spannungsvektor
o b', o c' zu
erhalten, welcher die der Erregerwicklung zugeführten Spannungen
ergibt. Die Endpunkte dieser Vektoren bewegen sich auf einer parabelähnlichen Kurve
b' a' c',. die man erhält, wenn man zu jedem Erregerstrom die zugehörige
Schlupffrequenz bestimmt und auf den Endpunkten der Vektoren o a, o b, o c
Senkrechte a ca', b b' und c c' errichtet, deren Länge sich zu
o a, o b und o c verhält wie L . Ist der Vektor o a
der Schlüpfung o, also dem synchronen Gang der Induktionsmaschine zugeordnet, dann
ist die Länge des induktiven Vektors ad - o. Punkt a' fällt mit a zusammen.
Die für eine bestimmte Gerade y y' konstruierte Parabelkurve entspricht hiernach
einer bestimmten Leistung der Maschine. Für eine andere Leistung wäre die Gerade
y y' parallel zu verschieben, und es ergibt sich dann eine andere Parabelkurve als
geometrischer Ort für den Vektor . der Erregerspannung.
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Um nun also die Leistung der Maschine i konstant zu halten, muß die
Einrichtung die Eigenschaften haben, die Erregerspannung an der Erregerwicklung
der Erregermaschine 2 bei Änderung der Netzfrequenz (bzw. bei Änderung der Schlüpfung)
selbsttätig so einzustellen, daß ihr Vektor auf der Parabelkurve oder, was dasselbe
bedeutet, der Stromvektor auf der Geraden y y' bleibt. Dies ist bei der dargestellten
und beschriebenen Einrichtung nun tatsächlich der Fall.
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In Fig. 2 bedeutet 0 A den Hauptstrom der Maschine i, der sich
im Idealfalle (bei cos (p J i) einstellen würde und der sich aus dem Sekundärstrom
0 A" und dem Leerlaufstrom 0 0' geometrisch zusammensetzt. Wie bereits erwähnt,
ist die Sekundärspannung desTransformators 5 proportional demHauptstrom der Induktionsmaschine,
und die an den Schleifringen und an den Kollektorbürsten des Frequenzwandlers 3
auftretende Spannung ist gleich der Differenz der Spannungen der beiden Transformatoren
q. und 5, also die Differenz einer konstanten und einer mit dem Hauptstrom variablen
Spannung. Nun ist die an der Sekundärwicklung des Transformators 5 auftretende Spannung
0 A, (Fig. 2) proportional dem Hauptstrom I, welcher bei cos (p
- i in die Richtung 0 A fallen und durch 0A dargestellt sein soll.
Der Vektor 0 AS steht aber in der Phase senkrecht auf dem Vektor 0 A. Wählt
man nun die Sekundärspannung des Transformators q. nach Größe und Richtung so, daß
bei der Lage des Hauptstromvektors in Richtung 0 A die Differenz der Transformatorsekundärspannungen
gleich Null ist, dann ergibt sich eine Sekundärspannung des Transformators q. gleich
- O A«5. In Wirklichkeit darf sich wegen des
stets
vorhandenen Ohmschen Spannungsabfalles die Differenz der Spannungen nieinals gleich
Null einstellen, sondern es muß diese Differenz in Abhängigkeit von der Schlüpfung
resultierende Spannungsvektoren A, AJ A,, B,; A,, C,; ergeben, welche den
zur Erregung notwendigen Spannungswerten o a',
o b', o c' entsprechen.
Da nun der Vektor 0A" der konstanten Spannung des Transformators 4. entspricht,
kommt für die Änderung der Differenz nur die Änderung des Vektors der variablen
Spannung des Transformators 5 in Betracht. Diese müßte sich nach Lage und Größe
derartändern,daßderEndpunkt sich auf einer der Parabel b' a' c' ähnlichen
Parabel B,;' A,' C:;' bewegt. Da nun aber wieder der Vektor 0 A;,'
0 B,' 0 C,,' auf dem Hauptstrom.T senkrecht steht und I proportional
ist, wird sich auch der Stromvektor O A' OB' OC'@I auf einer der Parabel
ä b' c' ähnlichen Parabel bewegen müssen. Diese Bewegung auf Parabelkurven.ist
somit die Bedingung daffir, daß die Induktionsmaschine eine konstante Leistung hat.
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Nun wäre noch zu untersuchen, ob eine Abweichung des Hauptstromes
von der Parabelkurve A' D' C möglich ist. Uin dieses festzustellen,
geht man von einem beliebigen Schlüpfungswert, z. B. von der Schlüpfung o, also
vom synchronen Betrieb, aus und untersucht, ob der Vektor 0 A' eine beliebige
andere Lage, z. B. 0 D, einnehmen kann. Dem Stromvektor 0 D würde
eine Sekundärspannung (am Transformator 5) O D,, entsprechen. Die Differenzspannung
0 A5 - 0 D; wäre gleich dem 1,#Telitor, .4; D5, und dieser Erregerspannung
würde von 0 aus aufgetragen der Vektor 0 d entsprechen. Der Endpunkt dieses
Vektors läge nicht auf der Geraden 1, @,', so daß die Leistung der Induktionsmaschine
eine andere wäre. Es ist nun leicht einzusehen. daß die zu o a hinzutretende Spannung
a. d die Leistung der Maschine zu vergrößern bestrebt ist, daß sie damit aber der
Verkleinerung des Hauptstromes 0 A in 0 D
entgegenwirkt, so daß die Maschine
selbst dein Gleichgewichtszustand zustrebt, welcher durch die Bedingung gegeben
ist, daß die Enden der Vektoren sich auf Parabelkurven bewegen.
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Wäre man von einem anderen Wert der Schlüpfung, z. B. von einem positiven
Schlupf (+ ab), ausgegangen, dann hätte sich eine andere Lage des Stromvektors 0
D' ergeben., welcher im Erregerkreis gerade die für diesen Betriebsfall notwendige
Erregerspannung o b' verursacht hätte, und die Maschine würde wieder dem
Gleichgewichtszustand zustreben, welcher der gestellten Bedingung entspricht.
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Bei der vorausgesetzten Abgleichung der Sekundärspannungen der Transformatoren
und 5 ist also nur eine solche Stromaufnahme der Induktionsmaschine möglich, daß
ihre Leistung einen bestimmten Wert besitzt, welcher von der Lage der Bürsten des
Frequenzwandlers und von der Einstellung der Erregerspannung der Erregermaschine
abhängig ist.
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Bezeichnet man die Kurve, welche dem geometrischen Ort für den Stromvektor
der Induktionsmaschine darstellt, mit P, dann erhält man für jede Belastung andere
P-Kurven. Im dargestellten Falle ist die P-Kurve dem ideellen Statorstrom
0 A zugeordnet, welcher aber in Wirklichkeit sich etwas ändert, indem sein
Vektor die Lagen 0 A' 0 B' 0 C" einnimmt. Die Abweichung vom ideellen Wert
0.4 ist aber praktisch unbedeutend und kann durch entsprechende Bemessung der Transformatoren
4 und 5 klein gehalten werden, so daß die Hauptmaschine praktisch mit konstanter
Leistung (entsprechend Vektor 0 A) arbeitet.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung wird durch Fig. 3 veranschaulicht.
In dieser Figur sind von der ganzen Einrichtung nur die Transformatoren 4 und 5,
der Frequenzwandler 3 und ein neuhinzutretender Widerstand 6 gezeichnet. Bei der
dargestellten Einrichtung sind beide Transformatoren durch den Widerstand 6 belastet.
Die Windungszahlen der Transformatorspulen sind so gewählt, daß für eine bestimmte
Belastung der Induktionsmaschine beide Transformatoren einzeln in den Widerstand
6 Ströme gleicher Phase und Größe liefern. Im Betrieb wird dann der Frequenzwandler
von einem Strom gespeist, welcher der Differenz von zwei Strömen entspricht, einem
konstanten Strom des Transformators 4 und einem variablen, von der Hauptbelastung
abhängigen Strom (Transformator 5). Die Einstellung auf den Widerstand 6 erleichtert
die Abgleichung der Transformatoren auf die gegeneinander gerichteten Spannungen
gleicher Größe.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist durch Fig.4 gegeben; es berücksichtigt
den Fall, daß auch die Netzspannung Schwankungen unterliegt. Um auch bei Spannungsschwankungen
des Netzes konstante Leistung der Induktionsmaschine zu erzielen, werden Schnellregler
9 verwendet, welche die vom Frequenzwandler der Erregerwicklung der Erregermaschine
gelieferte Erregerspannung beeinflussen. In Fig. q sind die Sekundärwicklungen der
beiden Transformatoren q. und 5 zweiphasig ausgeführt .und in h geschaltet. je nach
dem Fallen oder Steigen der Netzspannung wird im Primärstromkreis des Frequenzwandlers
selbsttätig Widerstand ein- oder
ausgeschaltet. Im übrigen bleibt
die Schaltung und Wirkungsweise der Einrichtung unverändert.
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Eine Variante der Ausführung nach Fig. q. ist in Fig. 5 dargestellt;
in welcher als Quelle konstanter Spannung anstatt des Transformators q. ein Synchrongenerator
7 verwendet wird, welcher durch den Synchronmotor 8 angetrieben wird. Bei Schwankungen
der Netzfrequenz kann in diesem Falle die konstante Spannung durch einen Schnellregler
9 eingestellt werden, welcher die Erregung des Generators beeinflußt.
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Die beschriebenen Einrichtungen bewirken also, daß Schwankungen der
Netzfrequenz ohne Einfluß auf die durch den als Motorgenerator ausgebildeten Frequenzumformer
übertragene Leistung sind, und daß sich dabei die Konstanthaltung der Leistung selbsttätig
vollzieht.