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Einrichtung zur selbsttätigen Beeinflussung des Energiestromes zwischen
zwei miteinander gekuppelten, im Energieaustausch stehenden Wechselstromnetzen durch
einen rotierenden Umformer Werden zwei Wechselstromnetze durch einen rotierenden
Umformer gekuppelt, der aus einer synchronen Maschine und aus einer durch eine Kommutatorhintermaschine
gesteuerten Asynchronmaschine besteht, so kann bekanntlich auch bei schwankendem
Frequenzverhältnis der beiden Netze durch entsprechende Einstellung der Erregung
und der Ankerspannung der Kommutatormaschine in jedem Augenblick die verlangte Leistungsübertragung
zwischen beiden Netzen nach Größe und Richtung eingestellt werden. Wenn von der
Ankerspannung der Kommutatormaschine gesprochen wird, so ist hier und im folgenden
stets nur diejenige Komponente der gesamten Spannung gemeint, die in Phase oder
Gegenphase zur Schlupfspannung des Hauptmotors ist. Es ist bekannt, daß eine go
° gegen diese Spannungskomponente verschobene Spannung im Ankerkreis die Phasenkompensation
des Asynchronmotors beeinflußt. Welche Leistung des Umformers verlangt ist, hängt
von den Betriebsbedingungen der Anlage ab. Oft wird vorgeschrieben, daß die vom
Umformer übertragene Leistung zwar durch Eingriff der Bedienung oder eines automatischen
Reglers auf jeden verlangten Wert eingestellt werden kann, daß sie aber von den
betriebsmäßig auftretenden Schwankungen im Frequenzverhältnis beider Netze nicht
berührt wird, sondern dabei wenigstens angenähert konstant bleibt. Diese Bedingung
kann bekanntlieh dadurch erreicht werden, daß in der Kommutatorhintermaschine eine
Spannung induziert wird, die sich aus zwei bei wechselndem Frequenzverhältnis der
Netze nach verschiedenen Gesetzen sich ändernden Komponenten zusammensetzt. Die
eine Komponente soll stets der Schlupfspannung des Asynchronmotors entgegengesetzt
gleich, also selbst der Schlüpfung proportional sein, die andere soll konstanten
Effektivwert haben: ihr ist die Leistung des Umformers proportional.
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Oft wird aber auch verlangt, daß die Leistung des Umforrihers, wenn
die Frequenzen beider Netze schwanken, nicht konstant sein soll, sondern daß sie
der Abweichung der Frequenz eines Netzes von ihrem Mittelwert proportional sein
soll, ohne durch Frequenzschwankungen des anderen Netzes beeinflußt zu werden. Im
folgenden bezeichne f1 die augenblickliche Frequenz des Netzes, an das die Asyncbronmaschine
mit der Polpaarzahl p1 angeschlossen ist, f 2 die des Netzes der Synchronmaschine
mit der Polpaarzahl p2, fml und f1112 seien konstante Bezugswerte beider
Frequenzen. Die Leistung des Umformers soll also A (f1,11- f1) oder auch
A (fm2- f 2)
sein. Dabei bezeichnet A eine Konstante, ebenso wie in
den späteren Gleichungen die Größen B, C und D. Statt der beiden genannten Ausdrücke
setzen wir im folgenden A . (f",- f) und verstehen darunter, je nach
den gestellten Betriebs-
Bedingungen, die entsprechenden Frequenzwerte
des Netzes der Asynchron- oder des Netzes der Synchronmaschine.
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Da die Synchronmaschine und damit der Umformer stets mit der Rotationsfrequenz
f 2 arbeitet, ist die Schlupffrequenz der Asynchronmaschine
Soll derUmformer bei jedemFrequenzverhältnis, also jeder Schlüpfung der Asynchronmaschine
mit der gleichen Leistung L arbeiten, so muß, wie im ersten Absatz erwähnt, die
Ankerspannung Ei, der Kommutatormaschine sich aus zwei Komponenten EI" und
Ekg zusammensetzen, und es muß gelten Ek=&a+Ek2=-B-fs L C.L.
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Die Spannung Ek hat positives Vorzeichen, wenn sie in die Richtung
der untersynchronen Schlupfspannung fällt, andernfalls hat sie negatives Vorzeichen.
Die Leistung L hat positives Vorzeichen, wenn die Asynchronmaschine als Motor arbeitet;
arbeitet sie als Generator, hat L negatives Vorzeichen.
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Soll nun die Leistung L nicht konstant sein, sondern gleich A. (f",-
f) sein, so kann dies erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, daß
die Spannung der Kommutatormaschine selbsttätig auf den Wert '-'Is--B.fST A-G-(f7)1
-f) `
eingestellt wird. Unabhängig von der besonderen Ausführungsform
der Kommutatormaschine und von der Art ihrer Erregung wird also der Umformer eine
Leistung übertragen, die nach Größe und Richtung der Frequenzabweichung des einen
Netzes von einem konstanten Wert proportional ist, wenn die Spannung der Kommutatorhintermaschine
bei wechselnden Frequenzwerten dem in Gleichung (2) festgelegten Gesetz folgt. Frequenzschwankungen
des anderen N Netzes sind dabei ohne Einfluß auf die Leistung. Bei Berücksichtigung
der Magnetisierungskurve der Kommutatormaschine wird durch Gleichung (2) auch die
für den Erregerstrom der Maschine zu fordernde Abhängigkeit von den Frequenzwerten
festgelegt. Wir setzen im folgenden annähernd konstante Drehzahl der Kommutatormaschine
und Proportionalität zwischen Erregerstrom und Kraftfiuß der Maschine voraus. Bei
Kupplung der Kommutatormaschine mit der Asynchronmaschine schwankt zwar die Drehzahl
etwas, doch ist der Einfluß vernachlässigbar. Die Sättigung der ständergespeisten
Kommutatorhintermaschine ist im folgenden stets so gering vorausgesetzt, daß sie
die Proportionalität zwischen Kraftfluß und Erregerstrom nicht wesentlich stört,
so daß die Ankerspannung der Maschine dem Erregerstrom proportional gesetzt werden
darf. Bei der läufergespeisten Kommutatormaschine fällt, wie aus dem Späteren hervorgeht,
diese Einschränkung weg.
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Es gibt je nach der Eigenart des verwendeten Regelsystems verschiedene
Lösungen, um einen Spannungsverlauf nach Gleichung (2) bei wechselnden Frequenzwerten
zu erzwingen. Die Zahl der Lösungen ist so groß, daß bei ihrer getrennten Beschreibung
der Überblick v erlorenginge. Es sollen deshalb die möglichen Lösungen in einer
mehr tabellarischen Form zusammengestellt werden, aus der der Fachmann ohne Schwierigkeit
die einzelnen . Schaltungen herauslesen kann. Zu unterscheiden ist dabei, ob als
Hintermaschine die ständergespeiste oder die läufergespeiste Kommutatormaschine
verwendet wird. Bei der ständergespeisten Maschine wird angenommen, daß die Ankerrückwirkung
v ernachlässigbar klein ist, wie es z. B. bei einer mit Kompensationswicklung ausgestatteten
Maschine der Fall ist. Bei der vom Läufer aus mit Netzfrequenz oder annähernd Netzfrequenz
gespeisten Maschine ist die Annahme stets zutreffend.
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A. Ständergespeiste Kommutatorhintermaschine Ihr Erregerstrom muß
jedenfalls mit der Schlupffrequenz f, [Gleichung (I)] pulsieren. Zu dem Zweck wird
der Erregerkreis der Kommutatormaschine entweder mittelbar oder unmittelbar von
den Schleifringen des Asy nchronmotors aus gespeist oder von den Kommutatorbürsten
eines Frequenzumformers oder vom Ankerkreis einer Gleichstrommaschine, die mit drei
um 120'-gegeneinander versetzten, mit der Rotationsfrequenz f, rotierenden Bürsten
ausgestattet ist, oder schließlich vom Sekundärteil eines mit dem Umformer gekuppelten,
primär an das Netz f1 angeschlossenen Asynchronmotors gleicher Polzahl wie der Hauptmotor.
Der Frequenzumformer kann entweder mit der Rotationsfrequenz
oder mit der Rotationsfrequenz f 1 angetrieben werden. Im ersten Fall ist seinen
Schleifringen eine Spannung der Frequenz f1, im zweiten Fall eine Spannung der Frequenz
zuzuführen. Dabei ist gleiche Polzahl des Frequenzumformers und der Asynchronmaschine
vorausgesetzt. Eine Rotationsfrequenz f, der Bürsten der Gleichstrommaschine erhält
man, wenn man die Bürsten von einem Differentialgetriebe aus antreibt, das seinerseits
durch zwei Synchronmotoren der Drehzahlen f'. und
angetrieben wird.
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Die nach Gleichung (2) verlangte Spannungskomponente - B -
f, kann nach Patent 515 915 dadurch gewonnen werden, daß die Erregerwicklung
der Kommutatorhintermaschine von
den Schleifringen der Asynchronmaschine
aus über einen von der Schlupffrequenz unabhängigen konstanten Widerstand erregt
wird, der bei jeder betriebsmäßig auftretenden Schlüpfung ein Mehrfaches des induktiven
Widerstandes der Wicklung beträgt. Der Widerstand kann nach Patent 476 7ig auch
durch eine mit sehr starker Ankerrückwirkung ausgeführte Erregermaschine ersetzt
werden, die ihrerseits über einen Widerstand von der Schleilringspannung aus erregt
wird.
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An Stelle der Schleifringspannung der Asynchronmaschine kann auch
die Kommutatorspannung des Frequenzumformers treten, dessen Schleifringen dabei
eine Spannung proportional B - f, zugeführt werden muß. Diese Spannung kann durch
Speisung mit einer Synchronmaschine gewonnen werden, deren Erregerstrom dem Betrag
B. fs proportional ist. Dieser Erregerstrom kann z. B. in einer konstant erregten
Gleichstrommaschine erregt werden, deren Drehzahl fs proportional ist und die über
einen konstanten Widerstand die Erregerwicklung der Synchronmaschine speist. Besitzt
der Frequenzumformer keine Kompensationswicklung, so ist seine Kommutatorspannung
der Schleifringspannung proportional. Ist er mit Ständerkompensationswicklung ausgestattet,
deren Durchflutung das m-fache der Durchflutung der Ankerwicklung beträgt, so ist
seine Kommutatorspannung proportional der Schleifringspannung multipliziert mit
i +m . s, wobei s die Sclilüpfung des Frequenzumformers ist. Da bei Umformern zur
Netzkupplung auch die größte auftretende Schlüpfung der Asynchronmaschine meist
sehr klein ist, ist es, solange m nicht wesentlich größer als i ist, nur von geringem
Einfluß auf den Zusammenhang zwischen Schleifringspannung und Kommutatorspannung
des Frequenzumformers, ob dieser mit oder ohne Kompensationswicklung ausgeführt
wird. Tritt an Stelle des Frequenzumformers eine Gleichstrommaschine mit rotierenden
Bürsten, so muß sie bei konstanter Drehzahl ebenfalls mit einem der Frequenz fr
proportionalen Gleichstrom erregt werden, oder es muß bei konstantem Erregerstrom
ihre Drehzahl dem Wert fr proportional sein. Im letzten Fall ist ihre Wirkungsweise
identisch mit der einer konstant erregten Synchronmaschine, die mit der Rotationsfrequenz
fr angetrieben wird. Die Sekundärspannung des zur Erregung der Kommutatorhintermaschine
ebenfalls verwendbaren asynchronen Hilfsmotors ist der Schleifringspannung des asynchronen
Hauptmotors proportional, kann also an deren Stelle treten.
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Aus Gleichung (2) folgt nun die vveitereAufgabe, " die in der Kommutatormaschine
erregte Spannung -B # f s um den Ausdruck A #
C # (f m- f )
zu vergrößern. Auch dies kann auf mehreren Wegen
erreicht werden. Entweder wird in Reihe zu der Erregerspannung En" welche die Ankerspannung
-B # f, induziert, eine weitere Spannung Eng geschaltet, wobei '
ist, oder es wird einer zweiten Erregerwicklung der Kommutatormaschine einErregerstrom
zugeführt, dessenDurchflutungA W2sich zu der die Spannung -B # fs erregenden DurchflutungAWl
verhält wie
Die beiden Erregerwicklungen müssen voneinander magnetisch unabhängig sein, d. h.
dei Strom der einen Wicklung darf durch die Vorgänge im Stromkreis der anderen Wicklung
nichf beeinflußt werden, und umgekehrt. Statt die beiden erregenden Durchflutungen
in der Kommutatorhintermaschine zu überlagern, kann die Überlagerung auch in einer
die Erregung der Kommutatorhintermaschineqspeisenden Erregermaschine nach Patent
476 7ig erfolgen. Wird auch der konstante Widerstand dieses zweiten Erregerkreises
groß gegenüber dem induktiven Widerstand gewählt, so muß zur Erzielung einer Ankerspannung
gleich A . C . (f"- f) diesem Erregerkreis eine dem Ausdruck f",-
f proportionale Spannung zugeführt werden, welche mit der Schlupffrequenz
f, pulsiert. Auch die dem Ausdruck f",- f proportionale Spannung kann auf
verschiedene Weise in den Erregerkreis eingeführt werden. Eine Gleichspannung, die
diesem Ausdruck proportional ist, erhält man z. B. durch Gegenschaltung eines mit
konstanter Drehzahl angetriebenen und konstant erregten Gleichstromgenerators (Spannung
= D . f".) zu einem zweiten, ebenfalls konstant erregten Gleichstromgenerator, dessen
Drehzahl durch Kupplung mit einer Synchronmaschine proportional der Frequenz
f gehalten wird (Spannung = D # f). Da im allgemeinen aber die Abweichung
zwischen f und f". nur wenige Prozent beträgt, muß die Ankerspannung des
erstgenannten Generators streng konstant gehalten werden, was im allgemeinen nur
unter Verwendung von Schnellreglern möglich sein wird. Wenn die Drehzahl des erstgenannten
Generators streng konstant gehalten werden kann, kann der Einfluß von Schwankungen
der Erregung dadurch auf ein zulässiges Maß verkleinert werden, daß beide gegengeschaltete
Maschinen vom gleichen Strom erregt werden. Speist nun eine dem Ausdruck
f" "- f proportionale Gleichspannung über einen konstanten Widerstand
die Erregung der den Frequenzumformer speisenden Synchronmaschine oder die Erregung
der Gleichstromerregermaschine konstanter Drehzahl mit rotierenden Bürsten, so kann
dadurch im Ankerkreis der Kommutatorhintermaschine eine zusätzliche Spannung
A . C . (f"=- f) erzwungen werden. Eine dem Ausdruck f"-
f proportionale Spannung der Frequenz:
f, kann auch in einer
konstant erregten Gleichstrommaschine mit rotierenden Bürsten induziert werden,
die überein Differentialgetriebe mit der Drehzahl f",- f angetrieben wird.
Eine dem Ausdruck frtt2-f, proportionale Spannung kann aber auch durch Gegenschaltung
von zwei mit der Rotationsfrequenz angetriebenen Synchronmaschinen erreicht
werden, deren eine durch Schnellregler auf konstante Spannung geregelt, deren andere
mit konstantem Strom erregt wird. Die resultierende Spannung hat die Frequenz
Sie kann also zur Erregung eines mit der Rotationsfrequenz f1 angetriebenen Frequenzumformers
dienen.
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Soll die Spannung dem Ausdruck fntl-fl proportional sein, so müssen
die Synchronmaschinen mit der Rotationsfrequenz f1, der Frequenzumformer dagegen
mit der Rotationsfrequenz
angetrieben werden.
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Eine dem Ausdruck f",- f proportionale Spannung, die zur Speisung
-des Frequenzumformers oder zur Erregung der Gleichstrommaschine mit rotierenden
Bürsten Verwendung finden kann, kann schließlich auch unter Vermittlung eines mechanischen
Drehzahlreglers gewonnen werden. Wird dieser mit einer Drehzahl proportional f angetrieben,
so ist die Stellung dieses Regelorgans eine eindeutige Funktion des Ausdrucks f",-f,
sie kann also zur Einstellung einer dem Ausdruck f"- f proportionalen Spannung
verwendet werden. Beispielsweise kann mittels mechanischer Übertragung durch den
Regler die Stellung eines den Frequenzumformer speisenden Doppelinduktionsreglers
so verstellt werden, daß seine Sekundärspannung proportional dem Ausdruck f",-
f ist. Der mechanische Regler kann auch ersetzt werden durch eine Tachometerdynamo,
deren Drehzahl proportional der Frequenz f ist. Speist diese Tachometerdynamo einen
statisch eingestellten Schnellregler, so entspricht jedem Wert der Frequenz f eine
andere Stellung des Schnellreglers, die ihrerseits zur Einstellung der verlangten
Spannung dienen kann. Beispielsweise kann dies dadurch geschehen, daß der Schnellregler
den Erregerwiderstand einer den Frequenzumformer speisenden Synchronmaschine beeinflußt.
B. Läufergespeiste Kommutatorhintermaschine Hat die läufergespeiste Kommutatormaschine
gleiche Polzahl wie der Asynchronmotor und wird sie mit der Rotationsfrequenz
angetrieben, so muß ihren Schleifringen eine Spannung der Frequenz f1 zugeführt
werden; hat sie die Rotationsfrequenz f1, so muß ihren Schleifringen die Frequenz
zugeführt werden; es gilt also in bezug auf die Frequenz das gleiche wie beim Frequenzumformer,
der die Erregerwicklung der ständergespeisten Kommutatorhintermaschine speist. Da
ferner die durch die Kommutatorhintermaschine in den Läuferkreis der Asynchronmaschine
eingeführte Spannung streng oder angenähert proportional der den Schleifringen der
Hintermaschine zugeführten Spannung ist, muß also den Schleifringen der Kommutatorhintermaschine
eine Spannung zugeführt 'werden, die :dem durch Gleichung (2) festgesetzten Gesetz
folgt. Die bei der,' ständergespeisten Hintermaschine zur Erregung über einen Frequenzumformer
abgeleiteten Schaltungen können also auch hier Verwendung finden. Da bei der läufergespeisten
Hintermaschine die Abhängigkeit der Kommutatorspannung von der Schleifringspannung
praktisch unabhängig von der Sättigung ist, darf die läufergespeiste Kommutatorhintermaschine,
wenn sie nach dem durch Gleichung (2) festgelegten Gesetz erregt wird, auch im Sättigungsgebiet
arbeiten.
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Bei allen erwähnten -Schaltungen kann natürlich durch Änderung der
zunächst konstanten Größen (Drehzahl, Erregerstrom usw.) sowohl die konstante Bezugsfrequenz
f "Z als auch der verlangte Proportionalitätsfaktor zwischen Leistung des Umformers
und Abweichung der Frequenz von der Bezugsfrequenz beliebig eingestellt werden.