DE596606C - Kaskadenschaltung von Hauptasynchronmaschine mit Kommutatorhintermaschine - Google Patents

Description

Es ist eine Kommutatorkaskade bekannt mit belastungsabhängiger Drehzahlcharakteristik, bei welcher die Kommutatorhintermaschine in Nebenschluß von den Schleifringen der Vordermaschine über Ohmsche und induktive Widerstände erregt wird.

Abb. ι zeigt die Schaltung dieser bekannten Kommutatorkaskade·. A ist die asynchrone Vordermaschine, K ist die Kommutatorhintermaschine und R die asynchrone oder synchrone Belastungsmaschine, w ist der Widerstandserregerkreis, d der Drosselerregerkreis der Kommutatorhintermaschine und k die Kompounderregerwicklung. Die

15. Kompensationswicklung der Kommutatorhintermaschine ist zwar nicht eingezeichnet, muß aber als vorhanden gedacht werden. Die Maschine K kann selbstverständlich auch mit A direkt oder über Zahnräder gekuppelt sein, in welchem Falle R wegfällt.

Die Schaltung nach Abb. 1 zeigt eine verhältnismäßig einfache Anordnung, um eine mit zunehmender Belastung abnehmende Drehzahl zu erhalten. Die Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß der ganze Drehzahlbereich untersynchron liegt und demnach die Kommutatorhintermaschine und die zugehörigen Erregeranordnungen viel größer dimensioniert sein müssen, als wenn der Drehzahlbereich zum Teil übersynchron, zum Teil untersynchron liegt.

Es sind zwar auch schon derartige Schaltungen bekannt, bei welchen die Leerlaufdrehzahl übersynchron liegt, jedoch sind diese Schaltungen entweder sehr kompliziert, oder es sind für die Erregung der Kommutatorhintermaschine Frequenzumformer für recht große Leistung erforderlich, wenigstens wenn nicht für die Erregung besondere Erregermaschinen vorgesehen werden.

Vorliegende Erfindung bezweckt nun eine Kommutatorkaskade für eine belastungsabhängige Drehzahlcharakteristik, derenDrehzahlbereich teilweise übersynchron und teilweise untersynchron liegt und die für die Erregung der Kommutatorhintermaschine außer den in Abb. 1 gezeichneten Apparaten nur einen Frequenzumformer für sehr geringe Leistung braucht. Durch die Hinzunahme dieses kleinen Frequenzumformers wird aber die Leistung der Kommutatorhintermaschine fast auf die Hälfte reduziert, und weil außerdem die maximale Schlupffrequenz viel geringer ist als bei demselben, aber nur untersynchronen Drehzahlbereich, so werden die erforderliche Erregerleistung und besonders die Verluste im Widerstandserregerkreis sehr wesentlich reduziert.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine Kaskadenschaltung von Hauptasynchronmaschine mit Kommutatorhintermaschine, die entweder eine vom Belastungsstrom durchflossene Kompoundwicklung oder eine von einer im wesentlichen dem Schlupf proportionalen Spannung über Ohmsche Widerstände gespeiste Widerstandserregerwicklung oder beide besitzt, bei welcher weiter eine Drosselerregerwicklung vorhanden ist, die

einerseits über induktive Widerstände von einer im wesentlichen dem Schlupf proportionalen Spannung, anderseits über einen Frequenzumformer von einer der Netzspannung proportionalen Spannung gespeist wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Anordnung nach der Erfindung zeigt Abb. 2. Die' Bezeichnungen sind wieder die gleichen wie in Abb. i, neu sind der kleine Frequenzumforto mer F, der über dem Transformator T vom Netz gespeist wird. Der Frequenzumformer kann mit oder ohne Kompensationswicklung ausgeführt werden.

Die Kommutatorhintermaschine besitzt in t5 diesem Falle wieder drei Erregerwicklungen, und zwar die Kompounderregerwicklung k, die vom Hauptstrom der Kommutatorhintermaschine durchflossen ist, die Widerstandserregerwicklung w, die über einstellbare Ohmsche Widerstände h von den Schleifringen der Vordermaschine gespeist wird, und schließlich die Drosselerregerwicklung d, die einerseits über einstellbare induktive Widerstände von den Schleifringen der Vordermaschine, anderseits von der Kommutatorspannung des Frequenzumformers F gespeist wird. Die vorgeschalteten Ohmschen Widerstände im Widerstandserregerkreis bzw. die vorgeschalteten induktiven Widerstände im Drosselerregerkreis sind groß gegenüber dem Scheinwiderstand dieser Erregerwicklungen selber. Der Erregerstrom im Widerstandserregerkreis ist im wesentlichen der Schleifringspannung des Vordermotors, d. h. dem Schlupf, proportional. Der Erregerstrom im Drosselerregerkreis bleibt im wesentlichen konstant, unabhängig von der Schlupf frequenz, nur bei Schlupf Null würde auch dieser Strom wenigstens bei der Anordnung nach Abb. ι auf Null zurückgehen. Der Zweck des Frequenzumformers in Abb. 2 ist nun dafür zu sorgen, daß auch beim Durchgang durch den Synchronismus der Strom im Drosselerregerkreis im wesentlichen konstant bleibt, indem dieser Frequenzumformer den Ohmschen Abfall dieses Kreises deckt. In diesem Falle kann man sogar, um möglichst stabile Verhältnisse zu bekommen, den Ohmschen Abfall des Drosselkreises künstlich durch einen vorgeschalteten, einstellbaren Widerstand r etwas erhöhen.

In Abb. 3 ist in der horizontalen Achse durch O der Schlupf ί aufgetragen, und zwar von O nach rechts der positive Schlupf (untersynchron). Die Ordinaten der verschiedenen Geraden dieser Abbildung stellen die verschiedenen Spannungen im Sekundärkreis der Kommutatorkaskade oder, in einem andern Maßstabe, die entsprechenden Erregerdurchflutungen der Kommutatorhintermaschine dar. Die Ordinaten der Geraden C-D zeigen die im Läufer der Vordermaschine induzierte Schlupfspannung E₂ in Funktion des Schlupfes. In gleicher Weise stellt die Gerade C-E die Schleifringspannung E_s der Vordermaschine dar. Die Differenz der Ordinaten der Geraden C-D und C-E stellt den Spannungsabfall in der Sekundärwicklung der Hauptasynchronmaschine dar und ist ein Maß für das Drehmoment dieser Maschine. Die Ordinaten der Geraden F-G stellen die konstante Spannung E_d dar, die durch den Drosselerregerkreis in der Kommutatorhintermaschine induziert wird. Die Differenz der Ordinaten der Geraden C-K und F-G stellt die vom Widerstandserregerkreis in der Kommutatorhintermaschine induzierte Spannung E_w dar; demnach gibt Gerade C-K die Summe der Spannungen E_d und E_w an.

Die Differenz der Geraden C-E und C-K stellt die von der Kompounderregerwicklung k induzierte Spannung E_k dar. Demnach stellt C-E die resultierende induzierte Spannung E_d + E_w + E_k der Kommutatorhintermaschine dar. O, A stellt den Leerlaufschlupf dar, der negativ ist, d. h. die Leerlaufdrehzahl der Kaskade liegt übersynchron. O, B soll etwa der größte positive Schlupf, der bei der betriebsmäßig maximalen Belastung auftritt, darstellen. Bei Drehzahlen, die über der Leerlaufdrehzahl liegen, arbeitet die Kaskade generatorisch.

Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß alle drei in Abb. 2 gezeichneten Erregerwicklungen der Kommutatorhintermaschine vorhanden sind. Es kann beispielsweise der Widerstandserregerkreis weggelassen werden. In diesem Falle fällt in Abb. 3 die Gerade C-K mit der Geraden F-G zusammen. Die dadurch entstehenden Änderungen ergeben sich von selbst. Es kann auch die Kompounderregerwicklung k weggelassen werden, in welchem Falle die Geraden C-K und C-E zusammenfallen. In beiden Fällen bleibt das Verbundverhalten der Kaskade bestehen. Daß die Kommutatormaschine normalerweise eine nicht gezeichnete Kompensationswicklung besitzt, ist bereits erwähnt.

Bis jetzt sind nur die Spannungskomponenten, welche die Drehzahl beeinflussen, betrachtet worden. Es ist aber klar, daß man die Kommutatorhintermaschine auch gleichzeitig zur Phasenkompensation heranziehen kann. Man kann nämlich leicht der vom Drosselerregerkreis induzierten Spannung eine solche Größe und Phasenrichtung geben, daß diese nicht nur die Leerlaufdrehzahl bestimmt, sondern gleichzeitig die Phasenkompensation besorgt.

Mit Hilfe der verschiedenen Erregerkreise der Kommutatorhintermaschine hat man es in der Hand, die Drehzahlkennlinie beliebig

lung sind dabei zwischen Erregerwicklung d und der Drosselspule die Doppelinduktionsregler D_n, und D_b geschaltet, die als regelbare Stromtransformatoren arbeiten. Von der auderen Seite wird die Erregerwicklung d vom Frequenzumformer F gespeist, der über zwei Doppelinduktionsregler d_w und d_b, die primärseitig parallel und sekundärseitig in Reihe geschaltet sind, gespeist. Mit Hilfe der beiden ίο Induktionsregler D_w und d_w wird die Leerlaufdrehzahl der Kaskade bzw. die Wirkleistung, mit Hilfe der beiden Induktionsregler D₁, und d_b die Blindleistung geregelt. Dabei brauchen d_w und d_b und der Frequenzumformer F nur für die Ohmsche Komponente der Erregung aufzukommen. Die Regelung der Doppelinduktionsregler kann selbsttätig in Abhängigkeit von den Netzgrößen geschehen, wobei einerseits D_w und d_w und anderseits D_b und d_b von einem gemeinsamen Organ gesteuert werden können. Bei Kaskaden für kleinere Leistung kann selbstverständlich die Erregermaschine E wegfallen, indem dann die Wicklung d auf der Kommutatorhintermaschine selbst angebracht wird.

Ein wichtiger Vorteil der hier beschriebenen Anordnung besteht darin, daß man nicht durch Vorschaltung bedeutender Ohmscher Widerstände im Erregerkreis der Erregermaschine bzw. der Kommutatorhintermaschine den Widerstand dieses Erregerkreises von der Schlupffrequenz unabhängig zu machen braucht. Durch den Wegfall dieser Ohmschen Widerstände fallen die Hilfsmaschinen und Hilfsapparate wesentlich kleiner aus, als wie es sonst der Fall wäre.

Statt in Abb. 4 die Induktionsregler d_w und d_b, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Spannungstransformators, vom Netz zu speisen, könnte man diese Induktionsregler auch über Drosselspulen vom Netz speisen, so daß auch diese Induktionsregler dann als Stromtransformatoren wirken würden. Bei solchen Doppelinduktionsreglern, die als Stromtransformatoren mit regelbarer Übersetzung arbeiten sollen, können die beiden Hälften primärseitig in Reihe, sekundärseitig parallel geschaltet werden.

Claims (16)

1. Patentansprüche:

   i. Kaskadenschaltung von Hauptasynchronmaschine mit Kommutatorhintermaschine, die entweder eine vom Belastungsstrom durchflossene Kompoundwicklung oder eine von einer im wesentlichen dem Schlupf proportionalen Spannung über Ohmsche Widerstände gespeiste Widerstandserregerwicklung oder beide besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß weiter eine Drosselerregerwicklung vorhanden ist, die einerseits über induktive Widerstände von einer im wesentlichen dem Schlupf proportionalen Spannung, anderseits über einen Frequenzumformer von einer der Netzspannung proportionalen Spannung gespeist wird.
2. 2. Kaskadenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ohmsche Widerstand des Drosselerregerkreises durch Vorschaltwiderstände künstlich etwas erhöht ist.
3. 3. Einrichtung bei der Kaskadenschaltung nach Anspruch 1 und 2 zur Regelung der Leerlaufdrehzahl· der Kaskade, dadurch gekennzeichnet, daß der induktive Widerstand des Drosselerregerkreises regelbar ist.
4. 4. Einrichtung bei der Kaskadenschaltung nach Anspruch 1 bis 3 zur Regelung der Leerlaufdrehzahl und der Neigung der Drehzahlcharakteristik der Kaskade, dadurch gekennzeichnet, daß Ohmscher Widerstand des Widerstandserregerkreises geregelt wird.
5. 5. Einrichtung bei der Kaskadenschaltung nach Anspruch 1 bis 4 zur Regelung der Neigung der Drehzahlcharakteristik der Kaskade, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompounderregung, beispielsweise (durch Änderung der Windungszahl der Kompounderregerwicklung, geregelt wird.
6. 6. Kaskadenschaltung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselerregerkreis von zwei regelbaren Stromkomponenten gespeist ist, von welchen die eine die Leerlaufdrehzahl bzw. die Wirkleistung und die andere Komponente die Blindleistung beeinflußt.
7. 7. Kaskadenschaltung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß von den verschiedenen Erregerwicklungen, welche die Spannung der Kommutatorhintermaschine beeinflussen, eine oder mehrere nicht auf der Kommutatorhintermaschine selbst, sondern auf einer besonderen Erregermaschine angeordnet sind.
8. 8. Kaskadenschaltung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ohmsche Widerstand im Widerstandserregerkreis durch eine Reihenschlußkommutatormaschine mit angenähert konstanter, jedoch regelbarer Drehzahl ersetzt ist.
9. 9. Kaskadenschaltung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der induktive Widerstand im Drosselerregerkreis durch eine Reihenschlußkommutatormaschine mit einer dem Schlupf proportionalen Drehzahl ersetzt ist.
10. 10. Kaskadenschaltung, nach Anspruch ι bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß entweder der Widerstandserregerkreis oder

    einzustellen bzw. zu regeln. Wie aus Abb. 3 ersichtlich ist, läßt sich durch Regelung im Drosselerregerkreis die Leerlaufdrehzahl beliebig einstellen, ohne daß die Neigung der Drehzahlcharakteristik sich dabei ändert. Durch Umkehrung der Drosselerregung läßt sich die Leerlaufdrehzahl sowohl untersynchron als übersynchron verlegen. Durch Regelung im Widerstandserregerkreis ändert man zugleich die Leerlauf drehzahl und die Neigung der Drehzahlcharakteristik.

    Durch Änderung der Windungszahl der Kompounderregerwicklung läßt sich die Neigung der Drehzahlcharakteristik ändern, ohne daß die Leerlauf drehzahl geändert wird. Bei einer bestimmten Einstellung des Widerstandserregerkreises läßt sich eine Konstantleistungscharakteristik erzielen. Da sich mit der Anordnung nach dieser Erfindung praktisch jede Art von Drehzahlcharakteristik erreichen läßt und da man außerdem diese Charakteristik in jeder Weise beeinflussen kann, und zwar entweder von Hand oder selbsttätig, in Abhängigkeit von irgendeiner Größe, wie Leistung, Frequenz o. dgl., so läßt sich diese Kommutatorkaskade praktisch in allen Fällen verwenden, in welchen überhaupt Kommutatorkaskaden in Frage kommen. Selbstverständlich kommt die Kaskade gleichzeitig für die Regelung der Blindleistung in Betracht.

    Beispielsweise läßt sich diese Kaskade als sogenannter Zusatzschlupfkompensator verwenden, wobei die Leerlaufdrehzahl vorteilhafterweise übersynchron verlegt wird, weil dabei die Hilfsmaschinen möglichst kleine Abmessungen bekommen. Man kann die Drehzahlkennlinie entweder parallel an sich selbst verschieben oder auch deren Neigung beeinflussen, und zwar selbsttätig in Abhängigkeit von der Leistung oder bei Netzkupplungsumformern in Abhängigkeit von der Netzfrequenz. Wenn die Neigung der Drehzahlkennlinie in Abhängigkeit von der Belastung oder von der Drehzahl selbsttätig geregelt wird, läßt sich erreichen, daß beispielsweise von einer bestimmten Belastung an der Drehzahlabfall immer schneller zunimmt, so daß dadurch die Schwungmassen immer mehr zur Arbeitsleistung herangezogen werden.

    Bei Verwendung der Kaskade für Netzkupplungsumformer kann entweder selbsttätig auf konstante Leistung oder auf konstante Netzfrequenz geregelt werden, oder es kann schließlich auf eine bestimmte Abhängigkeit zwischen Leistung und Netzfrequenz geregelt werden. Bei Regelung auf konstante oder nahezu konstante Netzfrequenz ist Leistungsbegrenzung, bei Regelung auf konstante Leistung Begrenzung der Netzfrequenz zu empfehlen. Die Regelung auf konstante Leistung kann entweder selbsttätig durch Regerapparate oder, bei bestimmter Einstellung des Widerstandserregerkreises, durch die Eigenkennlinie der Kaskade erfolgen. In der Abb. 2 ist die Regelung in den verschiedenen Er- regerkreisen durch Anzapfung an den 0hmschen und induktiven Widerstand sowie am Transformator T und an der Kompoundwicklung k dargestellt. Die Regelung dieser verschiedenen Erregerkreise kann jedoch auch in anderer Weise geschehen. Erstens besteht die Möglichkeit, eine oder mehrere der Erregerwicklungen nicht auf der Kommutatorhintermaschine selber, sondern auf einer besonderen Erregermaschine mit großer Ankerrückwirkung unterzubringen. Weiter kann man auch den Ohmschen Widerstand durch eine Reihenschlußkommutatormaschine mit angenähert konstanter (aber doch regelbarer) Drehzahl, den induktiven Widerstand durch eine Reihenschlußkommutatormaschine mit einer dem Schlupf proportionalen Drehzahl ersetzen.

    Weiter kann man die Ohmschen und induktiven Widerstände, statt sie unmittelbar von den Schleifringen des Vordermotors zu speisen, über regelbare Transformatoren von diesen Schleifringen speisen; auch können sie von den Schleifringen einer asynchronen Hilfsmaschine statt von den Schleifringen der Vordermaschine gespeist werden.

    Im Drosselerregerkreis müssen Ohmsche und induktive Spannungskomponenten gleichzeitig geregelt werden. Sind jedoch in den Anzapfungen der Drosselspule Ohmsche Widerstände r (s. Abb. 2) von solcher Größe vorgeschaltet, daß die Ohmsche Spannungskomponente konstant bleibt, dann braucht der Transformator T nicht geregelt werden.

    Abb. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, die für eine Kommutatorkaskade für einen Netzkupplungsumformer mit selbsttätiger Regelung der Wirk- und Blindleistung in Frage kommt. Die Bezeichnungen sind wieder dieselben wie in Abb. 2, nur liegt die Drosselerregerwicklung d jetzt auf einer besonderen Erregermaschine!?, deren Antriebsmaschine in Abb. 4 nicht gezeigt wird. Der Widerstandserregerkreis ist in diesem Beispiel nicht vorhanden. Die Erregerwicklung der Kommutatorhintermaschine wird von der Erregermaschine E mit ihrer Kompoundwicklung ¥ und normalerweise mit einer nicht gezeichneten Kompensationswicklung gespeist. Die Erregermaschine ist mit großer Ankerrückwirkung ausgeführt, so daß ihr abgegebener Strom praktisch der Erregerdurchflutung der Wicklung d proportional ist. Die Erregerwicklung d wird einerseits über die Drosselspule vS* von den Schleifringen der Vordermaschine gespeist. Zwecks der Rege-

    der Drosselerregerkreis oder beide über regelbare Transformatoren von den Schleifringen der Vordermaschine gespeist sind.
11. 11. Kaskadenschaltung nach Anspruch ι bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß entweder der Widerstandskreis oder der Drosselerregerkreis oder beide von den Schleifringen einer besonderen asynchronen Hilfsmaschine, die mit der Vordermaschine gekuppelt ist, gespeist sind.
12. 12. Kaskadenschaltung nach Anspruch ι bis ii, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Drosselspule Ohmsche Widerstände geschaltet sind, die derart geregelt werden, daß die Ohmsche Komponente des Drosselkreises konstant bleibt, so daß die Spannung des Frequenzumförmers konstant gehalten werden kann.
13. 13. Kaskadenschaltung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Drosselspule und Drosselerregerwicklung Doppelinduktionsregler geschaltet sind, die als Stromtransformatoren mit regelbarer Übersetzung wirken.
14. i4.Kaskadenschaltungnach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß auch auf der Pritnärseite des Frequenzumformers derartige über eine Drosselspule gespeiste, als Stromtransformator wirkende Doppelinduktionsregler vorhanden sind.
15. 15 .Kaskadenschaltung nach Anspruch 13, 14, dadurch gekennzeichnet, daß getrennte Doppelinduktionsregler für Beeinflussung der Wirkleistung (bzw. Leerlaufdrehzahl) und für die Beeinflussung der Blindleistung vorhanden sind.
16. 16. Kaskadenschaltung nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelorgane selbsttätig in Abhängigkeit von einer elektrischen oder mechanischen Größe der Schaltungsanordnung, wie Spannung, Strom, Leistung, cos φ, Drehzahl, Frequenz, geregelt werden.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen