DE581454C - Anordnung zur Erregung von Kommutatorhintermaschinen im Staender mit Schlupffrequenz - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 27. JULI 1933

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

M 581454 KLASSE 21 d 2 GRUPPE 27

Patentiert im Deutschen Reiche vom 12. Juni 1932 ab

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erregung von Kommutatorhintermaschinen im Ständer mit Schlupffrequenz.

Man ist in neuerer Zeit dazu übergegangen, die Erregerwicklung derartiger Maschinen nach dem Prinzip der Stromerregung zu speisen, indem man der Wicklung Ströme zuführt, deren Größe und Phasenlage durch den mit dem Schlupf sich ändernden Scheinwiderstand der Erregerwicklung praktisch nicht beeinflußt wird. Bei derartigen Schaltungen wird gewöhnlich ein unkompensierter Frequenzwandler verwendet, dessen Schleifringen der durch Stromtransformatoren geregelte Strom einer Drosselspule zugeleitet wird, deren Leistung groß gegenüber der Leistung des Frequenzwandlers und der Erregerwicklung ist. Die den Schleifringen des Frequenzwandlers zugeführte Leistung ist hierbei, abgesehen von dessen eigener Erregerleistung, so "groß wie die von ihm an die Erregerwicklung der Hintermaschine abgegebene Leistung. Dementsprechend müssen die Drosselspulen und Regeltransformatoren bemessen werden.

Vorliegende Erfindung gibt nun an, wie man dieses Erregerzubehör wesentlich kleiner halten kann und darüber hinaus den Erregerstrom der Schlupfmaschine durch den den Schleifringen des Frequenzwandlers zugeführten Strom auch über eine oder mehrere Zwischenerregermaschinen sicher nach Größe und Phase steuern kann, während dies bisher nur möglich war, wenn man den Erregerstrom unmittelbar mit dem Frequenzwandler steuerte.

Dabei wird ein kompensierter Frequenzwandler zur Speisung der Erregerwicklung verwendet. Der Kommutatorstrom des Frequenzwandlers wird durch die Kompensationswicklung in seiner magnetischen Wirkung aufgehoben, und es fehlt damit zunächst jede Beziehung zwischen Kommutatorstrom und Schleifringstrom, der nunmehr nur reiner Erregerstrom für den Frequenzwandler wäre. Diese Beziehung wird erfindungsgemäß dadurch hergestellt, daß man den Erregerstrom der Schlupfmaschine dem Ständer des Frequenzwandlers wieder zuführt. Kompensiert man den eigenen Erregerstrom des Frequenzwandlers durch Kondensatoren parallel zu den Schleifringen, so würde der über die Drosselspule und die Regeltransformatoren zugeführte Strom zusätzlich erregend auf den Frequenzwandler einwirken. Dieser Strom wird jedoch durch den in dem Ständer des Frequenzwandlers eingeführten Erregerstrom der Schlupfmaschine wieder aufgehoben, wenn dieser Strom seinen Sollwert hat. Er folgt also nach Größe und Phase dem von der Drosselspule dem Frequenzwandler zugeleiteten

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Hermann Harz in Berlin-Siemensstadt.

Strom. Die erforderliche Spannung stellt sich an den Schleifringen des Frequenzwandlers von selbst ein, weil er mit Stromverbrauchern in Reihe liegt, deren Leistung groß ist gegenüber seiner eigenen. Da der vom - Frequenzwandler kommutatorseitig abgegebene Strom keinerlei Beziehung mehr zum Schleifringstrom hat, kann der Frequenzwandler auch zur Erregung einer Zwischenerregermaschine dienen, die erst die Schlupfmaschine gegebenenfalls über eine oder mehrere weitere Zwischenerregermaschinen erregt.

Einige Ausführungsbeispiele sollen das Wesen der Erfindung näher erläutern.

In Fig. ι bezeichnet 1 eine Asynchronmaschine, die durch die Schlupfmaschine 2 in Drehzahl und Phase geregelt wird. Diese besitzt, wie üblich, Kompensationswicklung und Wendepole und wird im Ständer über den kompensierten Frequenzwandler 3 erregt. Dieser besitzt im Ständer außer der Kompensationswicklung 3_a, welche die dem Kommutatorstrom entsprechenden Amperewindungen aufhebt, noch eine besondere Wicklung 3j, die vom Erregerstrom der -Schlupfmaschine durchflossen wird. Dieser Strom ist im vorliegenden Fall identisch mit dem Kommutatorstrom des Frequenzwandlers. Den Schleifringen des Frequenzwandlers werden in bekannter Weise über die Drosselspule 8, den Isoliertransformator 9, den Drehzahltransformator 10, den Phasentransformator 11, den Kompoundtransformator 12 und den Isolierkompoundtransformator 13 Ströme vorgeschriebener Größe und Phase zugeleitet, was dadurch gewährleistet ist, daß die Leistung der Drosselspule und der Hauptmaschine groß gegenüber der dem Frequenzwandler zugeführten Leistung ist. Wird der eigene Erregerstrom des Frequenzwandlers durch Kondensatoren 6, die parallel zu den Schleifringen des Frequenzwandlers geschaltet sind, gerade geliefert (J₆), so wirkt jeder über die Transformatoren 10, 11, 12 zugeführte weitere Strom (J₇) zusätzlich erregend und ändert die Spannung so lange, bis der Strom /₃ seinen Sollwert erreicht hat und den Strom J₇ in seiner Wirkung auf den Frequenzwandler wieder aufhebt.

Mit einigen Formeln läßt sich leicht der Nachweis führen, daß der Erregerstrom J₃ der Schlupfmaschine nach Größe und Phase dem Strom J₇ entspricht.

Es bedeuten: r₈ Ohmscher Widerstand des Kreises 3, k₃ Blindwiderstand bei Netzfrequenz des Kreises 3 (der Kreis 3 besteht aus der Erregerwicklung der Schlupfmaschine und den entsprechenden Wicklungen des Frequenzwandlers), km Erregerblindwiderstand des Frequenzwandlers bei Netzfrequenz (Schleifringe), k₆ Blindwiderstand der Kondensatoren bei Netzfrequenz, Jm Erregerstrom des Frequenzwandlers, J₆ Kondensatorstrom, E₅ Schleifringspannung des Frequenzwandlers, E₃ = E₅ (1—s) = Klemmenspannung des Frequenz wandlers, j Schlupf.

(Die Ströme und Spannungen bedeuten stets vektorielle Größen.)

Es gelten dann folgende Gleichungen:

E₃

(1)

£5 = I₃ tos + Jh ■ s). (2) Für U₅ kann man setzen

£5 = ihn · /in · (3)

Hierin bedeutet Jm. den resultierenden Erregerstrom im Frequenzwandler. Er ist die Summe von J₅ und /₃, wo J₅ wieder die Summe von /_e und J₇ ist. Man erhält also aus (2) und (3)

I₃ tos + lh · s) = jhn (I₆ + Λ + J₃) · (4)

Macht man nun J₆ gleich Jm-, was ohne weiteres der Fall ist, wenn k₆ = kai ist, dann geht Gleichung (4) über in

Λ tos + ßz ■^s) = Ihn ·Im + j ha (Λ + Λ) · (5)

Für die linke Seite und das erste Glied auf der rechten Seite kann man gemäß Gleichung (2) und (3) die Spannung E₅ setzen. Man erhält also

ihn · (J₁ + J₃) =0

(6)

oder

(6a)

Man erkennt also, daß tatsächlich der Erregerstrom der Schlupfmaschine J₃ nach Größe und Phase dem Strom J₇ folgt. Die Gleichung (6a) gilt für gleiche Windungszahl der vom Strom /₃ bzw. J₇ durchflossenen Wicklungen. Bei verschiedener Windungszahl müssen natürlich die Amperewindungen gleich sein und (6a) geht dann über in

Iz-w>3 = —lT-wm, (6b)

wo W₃ die Windungszahl der Zusatzwicklung im Ständer und wm die Windungszahl der Wicklung im Läufer bedeuten. no

Es ist nun keineswegs erforderlich, daß diese Amperewindungen in einem bestimmten Verhältnis zu denen des Kommutatorstromes im Anker bzw. in der Ständerkompensationswicklung stehen müssen. Man kann sie diesen gegenüber beliebig klein machen, und dementsprechend wird auch das Zubehör (Transformatoren und Drosselspule) klein. Man wird jedoch im allgemeinen diese Amperewindungen in gleicher Größenordnung der Amperewindungen halten, die ■ der eigene Erregerstrom (Jm bzw. J_s) verursacht. In manchen

Fällen kann es auch vorteilhaft s'ein, die Amperewindungen von J₃ bzw. J₇ groß gegenüber denen von J₆ zu machen. Man erreicht dadurch, daß kleinste Abweichungen des Stromes J₃ vom Sollwert sofort ausgeglichen werden.

Ein Nachteil bisheriger Erregeranordnungen mit kompensiertem Frequenzwandler war, daß von der den Schleifringen aufgedrückten Spannung E₅ nur die Spannung E₅ (i —s) an den Ständerklemmen des Frequenzwandlers verfügbar war. Bei vorliegender Anordnung wird jedoch die Gesamtspannung im Kreis 3 E_g3

= E₆(X-S) +E,

: — s-\ 2- · s).

w_m

•s,

(7) (7a)

Für W₃ — — Wm wird E_gt = E₅, d. h. die an die Schleifringe gelegte Spannung wird in voller Höhe im Kreis 3 ausgenutzt.

Der Frequenzwandler regelt in der vorliegenden Schaltung auf Strom, zur Entlastung von Spannung kann er daher mit zusätzlichen Spannungsquellen in Reihe geschaltet werden. In Fig. ι ist z. B. die Reihenschaltung mit der Schleifringspannung der Hauptmaschine gestrichelt angedeutet. Die Zusatz- wicklung im Ständer ist zu diesem Zweck offen ausgeführt und über einen Transformator an die Schleifringe der Hauptmaschine angeschlossen.

Es sei erwähnt, daß die Kompensationswicklung Za ^und die zusätzliche Erregerwicklung 3 j, auch miteinander vereinigt werden können, so daß gewissermaßen die Maschine unvollkommen kompensiert ist.

In der Anordnung nach Fig. 2 erregt der Frequenzwandler 3 die Ständererregerwicklung der Zwischenerregermaschine 4 mit dem Strom J₄, und diese erregt erst die Erregerwicklung der Schlupf maschine mit dem Strom J₃. Dieser Strom wird der zweiten Wicklung im Ständer des Frequenzwandlers zugeführt zum Vergleich mit dem von den Transformatoren gelieferten Strom J₇. Der eigene Erregerstrom J₆ des Frequenzwandlers wird durch die Kondensatoren 6 geliefert.

Der Kommutatorstrom J₄ hat infolge der Kompensationswicklung keine Wirkung in dem Frequenzwandler. Weicht der Strom J₃ in der Ständerwicklung 3j des Frequenzwandlers von seinem Sollwert ab, so wirkt der Strom J₇ zusätzlich erregend über den Frequenzwandler 3 und die Zwischenerregermaschine 4 auf die Schlupfmaschine ein und stellt den Sollwert wieder her. Bezeichnet r₄ den Ohmschen, k₄ den induktiven Widerstand bei Netzfrequenz des Kreises 4 (vorzugsweise Erregerwicklung von 4), C₄₃ die Drehreaktanz der Zwischenerregermaschine (Verhältnis von Klemmenspannung JS₄ zum Erregerstrom J₄), dann gelten folgende Gleichungen:

E₅(I-S)^h(U +ih-s), (8) Ei = C43 · /4 · (9)

Für den Kreis 3 gilt

w„

= Λ

S).

Das zweite Glied der linken Seite, kann gegenüber dem ersten vernachlässigt werden. Man erhält dann

Ei = J₃ (r₃ + j k₃ · s). (ioa)

Aus (9) und (ioa) ergibt sich

tr„ + jL· · s) . ,

Λ = /3

(11) in (8)

Für E₅ kann man nunmehr wieder Gleichung (3) setzen, und man erhält damit das gleiche Ergebnis der Gleichung (6a) bzw. (6b), d. h. der Strom J₃ folgt nach Größe und Phasenlage dem Strom J₇. Die erforderliche Spannung am Frequenzwandler und der rich- go tige Strom J₄ in der Erregerwicklung der Zwischenerregermaschine stellen sich von selbst ein. Natürlich wird der Frequenzwandler in dieser Schaltung, da er nur die Erregerleistung der Zwischenerregermaschine zu liefern braucht, wesentlich kleiner als bei der Anordnung nach Fig. 1. Man kann aber auch hier die Erregerwicklung der Zwischenerregermaschine mit einer geeigneten Spannungsquelle, z. B. mit den Klemmen der Zwischenerregermaschine oder mit den Schleifringen der Hauptmaschine in Reihe schalten, um damit den Frequenzwandler von Spannung zu entlasten. Schließlich kann man auch noch eine oder mehrere weitere Zwischenerregermaschinen zwischen Schlupf maschine und erste Zwischenerregermaschine schalten.

Die Vorteile der neuen Anordnung liegen vor allem darin, daß man das Stromerregungsprinzip, das sich für die Erregung ständererregter Kommutatorhintermaschinen auf das beste bewährt und bisher nur mit unkompensierten Frequenzwandlern durchgeführt wurde, nunmehr auch mit kompensierten Frequenzwandlern anwenden kann. Abgesehen davon, daß diese Maschinen bessere Kommutierungseigenschaften besitzen, wird die den Schleifringen des Frequenzwandlers zugeführte Leistung wesentlich kleiner als bisher, und vor allem ist auch eine Erregung über eine oder mehrere Zwischenerregermaschinen möglich, wodurch Fre-

quenzwandler und Zubehör weiter verkleinert werden können.

Natürlich kann man den Frequenzwandler 3 auch in zwei Maschinen auflösen, von denen die eine als normaler kompensierter Frequenzwandler ohne Zusatzwicklung im Ständer ausgeführt ist und die Erregung für die Schlupfmaschine bzw. für die Zwischenerregermaschine liefert. Die andere ist als ίο normale Induktionsmaschine ausgeführt, die dem Vergleich des Stromes J₃ mit dem Strom J₇ dient. Zu diesem Zweck liegt die Primärwicklung dieser Maschine parallel zu den Schleifringen des Frequenzwandlers, während ihre Sekundärwicklung vom Strom J₃ durchflossen wird. Die Kondensatoren sind nun so bemessen, daß sie die Erregerströme beider Maschinen liefern. Beim Sollwert des Stromes J₃ wird der ganze Strom J₇ so von der. Primärwicklung der Induktionsmaschine aufgenommen und durch /₃ aufgehoben. Weicht /_s vom Sollwert ab, so wird ein mehr oder weniger großer Anteil von J₇ nach dem Frequenzwandler gedrängt, der dadurch zusätzlich erregt wird und den Sollwert des Stromes J₃ wiederherstellt.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung zur Erregung von Kommutatorhintermaschinen im Ständer mit Schlupffrequenz mittels eines kompensierten Frequenzwandlers, dadurch gekennzeichnet, daß dem Frequenzwandler, dessen eigener Erregerstrom durch Kondensatoren parallel zu den Schleifringen ge-.

   liefert wird, über die Schleifringe Ströme vorgeschriebener Größe und Phase mit Netzfrequenz zugeführt werden, die in ihrer Wirkung durch den in den Ständer des Frequenzwandlers eingeführten Erregerstrom der Kommutatorhintermaschine bei dessen Sollwert aufgehoben werden und beim Abweichen hiervon im Sinne einer" Wiederherstellung des Sollwertes zusätzlich erregend wirken.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzwandler die Kommutatorhintermaschine über eine oder mehrere ständererregte Zwischenerregermaschinen erregt.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entlastung des Frequenzwandlers von Spannung die von ihm gespeiste Wicklung mit zusätzlichen Spannungsquellen in Reihe geschaltet ist, z. B. mit der gegebenenfalls umgespannten Schleifringspannung der Hauptmaschine.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzwandler in zwei Maschinen aufgelöst ist, den eigentlichen Frequenzwandler ohne Zusatzwicklung im Ständer, der zur Erregung der Schlupf maschine bzw. der Zwischenerregermaschine dient, und eine mit ihm gekuppelte Induktionsmaschine, deren Primärwicklung mit den Schleifringen des Frequenzwandlers parallel geschaltet ist, während ihre Sekundärwicklung vom Erregerstrom der Schlupfmaschine durchflossen wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen