DE601228C - Synchrone oder synchronisierte asynchrone Maschine mit Erregung ueber einen Frequenzwandler - Google Patents

Description

Es sind Verfahren bekannt, eine Synchronmaschine dadurch zu kompoundieren, d. h. ihren Erregerstrom selbsttätig durch die Belastung zu beeinflussen, daß der Anker über einen synchronen Einankerumformer (Frequenzwandler), also einen Einankerumformer mit gleichmäßig verteiltem Feldeisen ohne Erregerwicklung erregt wird.

Der Kommutatorstrom des Frequenzwandlers, der die Größe des Erregerstromes der Synchronmaschine bestimmt, wird dadurch von der Belastung abhängig gemacht, daß die Schleifringseite des Umformers über einen Kompoundierungstransf ormator gespeist wird, der primär vom Belastungsstrom der Synchronmaschine durchflossen wird. Die Notwendigkeit, einen Kompoundierungstransformator zu verwenden, stellt eine unerwünschte Komplikation dar.

Erfindungsgemäß kann sie dadurch vermieden, der Frequenzwandler also mit konstanter Mehrphasenspannung erregt werden, daß die mit wachsender Belastung eintretende Winkeländerung zwischen Polradstellung der Synchronmaschine und Netzspannungsvektor dazu benutzt wird, selbsttätig die Kommutatorspannung des Umformers im gewünschten Sinne zu beeinflussen.

Besondere Bedeutung hat die Erfindung, wenn an Stelle einer Synchronmaschine eine synchronisierte Asynchronmaschine als Hauptmaschine arbeiten soll, wenn sie also mit kleinem Magnetisierungsstrom ausgeführt wird, wobei dann bei Gleichstromerregung des Läufers, also im synchronisierten Betrieb, bei motorischer und generatorischer Arbeit für konstanten Erregerstrom die Überlastungsfähigkeit sehr klein, bei generatorischer Arbeit außerdem die Spannungsänderung bei wechselnder Belastung sehr groß ist. Ist eine solche Asynchronmaschine zur Drehzahlregelung mit einer ständergespeisten Hintermaschine ausgestattet, so wird man auch im synchronisierten Betrieb die Kommutatorspannung des Frequenzwandlers zweckmäßig nicht unmittelbar auf den Läufer der Hauptmaschine, sondern auf die Erregerwicklung der Hrritermaschitie oder, wenn diese über eine Erregermaschine erregt wird, auf deren Erregerwicklung schalten und die Hauptmaschine durch die Ankerspannung der Hintermaschine erregen. Wenn schon für asynchronen Betrieb ein Frequenzwandler vorhanden ist, der den Läufer der Hauptmaschine unmittelbar oder mittelbar dreiphasig erregt, wird man. den gleichen Frequenzwandler auch zur Erregung im synchronisierten Betrieb verwenden, muß aber dabei eine der drei von seinen Kommutatorbürsten zur Erregermaschine oder Hintermaschine oder unmittelbar zu den Schleifringen der Hauptmaschine führenden Leitungen unterbrechen, so daß eine Bürstenreihe des Frequenzwandlers stromlos wird. Um mit der maximal mög-

lichen Spannung des Frequenzwandlers zu arbeiten, kann es auch zweckmäßig sein, die Kommutatorspannung desselben an um i8o° versetzten Bürsten abzunehmen statt an um i2o° versetzten Bürsten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Abb. i. Mit ι ist das Dreiphasennetz bezeichnet. 2 ist die Asynchronmaschine, deren Schleifringe an die ständererregte Hintermaschine 3 angeschlossen sind; die fremderregte Erregerwicklung der Hintermaschine ist an den Ankerkreis der Erregermaschine 4 angeschlossen, die zweckmäßig zur Erhöhung ihres effektiven Ankerwiderstandes mit Reihenschlußerregerwicklung ausgeführt wird. Der Antrieb der Maschine 3 und 4 ist beliebig, im ausgeführten Beispiel sind beide mit der Hauptmaschine 2 gekuppelt. Mit der Hauptmaschine muß schließlich der Frequenzwandler 6 mechanisch oder elektrisch gekuppelt sein, auf dessen Kommutator zwei Bürstenreihen schleifen. Sie sind an zwei Klemmen der dreiphasigen, fremderregten Erregerwicklung 5 der Erregermaschine 4 angeschlossen. Die Schleifringe des Frequenzwandlers werden über den Transformator 7 vom Netz 1 mit konstanter Dreiphasenspannung erregt. Anstatt wie bei der Schaltung des dargestellten Beispieles können auch zwei Kommutatorbürsten des Frequenzwandlers unmittelbar an zwei Schleifringe der Asynchronmaschine angeschlossen werden.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise sei der Einfachheit halber angenommen, daß der Ständerstrom der als Generator arbeitenden Maschine 2 mit seiner EMK in Phase sei. Bei induktiver Belastung ändert sich die Wirkungsweise nicht wesentlich. Für synchronen Lauf der Asynchronmaschine gilt unabhängig· von der Bürstenstellung des Frequenzwandlers das Diagramm Abb. 2.

Bei Leerlauf sei OA die Durchflutung des über die Hintermaschine zugeführten Läuferstromes und in anderem Maßstab auch der Fluß der Asynchronmaschine. Er induziert im Ständer die EMK BO, die gleich der Klemmenspannung des Generators ist. Bei Belastung mit cos φ = ι möge die Durchflutung des Ankerstromes CM₁ sein. Im Ständer fließt ein Strom, der nach Annahme mit der EMK B₁O der Ständerwicklung in Phase ist. Seine Durchflutung sei C₁O. Die aus OA₁ und C₁O resultierende Durchflutung ist OD₁, wobei A₁ D₁ parallel und gleich G₁O ist. Der Winkel A₁D₁O ist 90⁰. Er ist unabhängig von der Belastung, solange der Ständerstrom mit der EMK in Phase ist. Dabei ist angenommen, daß die Hauptmaschine auch bei Belastung synchron läuft, daß also ihre So Schlupfspannung gleich Null ist. Diese Annahme trifft zu, wenn bei synchronem Lauf das in der Maschine erzeugte Drehmoment gleich dem Drehmoment der antreibenden oder angetriebenen Maschine ist, wenn also die Hauptmaschine bei synchronem Lauf genügeude Überlastungsfähigkeit hat.

Die resultierende Durchflutung, Feld- und Ständer-EMK und damit auch, die Klemmenspannung der Asynchronmaschine ändern nach Abb. 2 bei wachsender Belastung ihre Phasenlage gegenüber dem Läuferstrom. Bei konstantem Läuferstrom sinkt außerdem ihre Größe mit wechselnder Belastung. Soll die Klemmenspannung mit steigender Belastung wenigstens angenähert konstant bleiben, müssen der Läuferstrom der Asynchronmaschine und somit die EMK des Freqenzwandlers mit wachsender Belastung ansteigen, wie es in Abb. 2 angenommen ist.

Das Feld des Frequenzwandlers hat bei konstantem Effektivwert der Schleifringspannung konstanten Wert und steht bei synchroner Drehzahl des Frequenzwandlers im Raum still. Die Achslage des ruhenden Feldes relativ zu den rotierenden Punkten der Wicklung, an welche die Schleifringe angeschlossen sind, ist in jedem Augenblick durch die Bedingung festgelegt, daß das Feld in jedem der Wicklungsabschnitte zwischen diesen Punkten eine EMK induzieren muß, die, vom Spannungsabfall abgesehen, entgegengesetzt gleich dem Augenblickswert der Schleifringspannung ist. Da der Läufer des Hauptmotors einphasig gespeist ist, ist durch die Lagei des Läufers auch die Achsläge des Lauferfeldes der Asynchronmaschine festgelegt. Wie vorher gezeigt wurde, wechselt nun bei gegebener Achsrichtung des Läuferfeldes der Asynchronmaschine das Verhältnis der Augenblickswerte der Klemmenspannung der drei ¹Oo Phasen der Ständerwicklung mit der Belastung. Durch die Augenblickswerte der Ständerspannung sind auch die Augenblickswerte der Schleifringspannung des Frequenzwandlers festgelegt. Mit der Belastung wechseit also auch für gegebene Lage des Läufers des Frequenzwandlers der Winkel, den die Achse seines Feldes mit den Verbindungsgeraden der Anschlußpunkte der Schleifringe bildet. Mit fortschreitender Zeit ändert sich no dieser Winkel auch bei konstanter Belastung dauernd, und zwar derart, daß das Feld des Frequenzwandlers, wie erwähnt, konstante Achsrichtung im Raum hat. Wenn sich die Belastung ändert, hat aber auch für jede räumliche Lage des Läufers die Feldachse eine andere Lage als vor der Belastungsänderung. Mit der Belastung ändert sich also die Achsrichtung des Läuferfeldes des Frequenzwandlers im Raum. Es ändert sich also auch der Winkel, den die Achse des Feldes mit der im Raum ruhenden Verbindungsgeraden der

stromführenden Bürsten des Frequenzwandlers bildet. Bei unveränderlicher Belastung ist dieser Winkel konstant. Die EMK, welche von dem konstanten, im Raum ruhenden Feld des Frequenzwandlers in dem zwischen den Kommutatorb'ürsten liegenden Wicklungsabschnitt induziert wird, ist nun am größten, wenn die Achse des Feldes senkrecht auf der Achse der Wicklung steht; sie ist Null, wenn

ίο beide Achsen gleiche Richtungen haben. Von der Kommutatorseite aus gesehen arbeitet der Frequenzwandler bei synchroner Drehzahl als Gleichstrommaschine; auch bei dieser wechselt bekanntlich bei konstantem Feld die zwischen den Bürsten induzierte EMK mit der Stellung der Bürsten relativ zum Feld.

Die Änderung des genannten Winkels kann also die verlangte Spannungsänderung des Frequenzwandlers bewirken. Bei wachsender motorischer Belastung der Hauptmaschine dreht sich aber die FeMachse gegenüber der Bürstenachse im entgegengesetzten Sinn wie bei wachsender generatorischer Belastung. Damit sowohl für generatorische wie motorische Belastung die EMK des Frequenzwandlers mit wachsender Belastung ansteigt, müßten bei Leerlauf Feldachse und Bürstenverbindungsachse im Frequenzwandler zusammenfallen. Da aber dabei dessen EMK gleich Null ist, ist diese Bürstenstellung nicht zulässig. Bei Schaltung nach Abb. 1 kann also nur für generatorische oder nur für motorische Belastung durch die genannte Verdrehung der Feldachse eine Spannungssteigerung des Frequenzwandlers mit wachsender Belastung erwirkt werden. Bei generatorischem Betrieb werden dazu die Bürsten des Frequenzwandlers aus der Stellung, in der für Leerlauf die Bürstenverbindungsachse und Feldachse zusammenfallen, um einen Winkel <QO°, aber >o entgegen dem Drehsinn verschoben, in welchem sich die Feldachse mit wachsender generatorischer Belastung dreht. Mit wachsender Belastung wird also der Winkel zwischen Feld- und Bürstenachse größer, die EMK des Frequenzwandlers steigt. Bei Leerlauf ist sie von Null verschieden. Für motorischen Betrieb sind die Bürsten im entgegengesetzten Sinn aus der Stellung zu verschieben, in der für Leerlauf Feldachse und Bürstenachse zusammenfallen. Dabei ist noch zu beachten, daß im Gegensatz zur normalen Gleichstromerregung der Synchronmaschine auch die Polarität der Erregerquelle wesent-Hch ist. Bei Erregung durch eine unabhängige Gleichstromquelle stellt sich das Polrad der Synchronmaschine stets so ein, daß wenigstens eine Komponente der Polraddurchflutung in Richtung des durch die Netzspannung erzwungenen Drehfeldes magnetisiert. Im vorliegenden Fall ist diese Einstellung nicht immer möglich, weil sich bei einer Drehung des Läufers des Hauptmotors um eine Polteilung auch das Feld des Frequenzwandlers gegenüber den Bürsten um eine Polteilung dreht, so daß die Polarität der Bürsten sich ändert. Es gibt jedenfalls stets zwei um i8o° gegeneinander versetzte Bürstenstellungen, für die im Leerlauf Feldachse und Bürstenachse zusammenfallen. Als Ausgangsstellung für die oben angegebene Bürstenverschiebung ist nun stets diejenige Stellung zu wählen, bei welcher nach der angegebenen Verschiebung eine Komponente der Läuferdurchflutung des Hauptmotors in Richtung des Drehfeldes, nicht ihm entgegen wirkt.

Der Nachteil, daß für motorischen und generatorischen Betrieb verschiedene Bürstenstellungen erforderlich sind, kann vermieden ,werden, wenn der Ankerkreis der Hauptmaschine nicht ausschließlich von der EMK des Frequenzwandlers, sondern in Reihe von dieser und von einer konstanten Gleichspannung erregt wird. In Abb. 3 ist 5 wieder die fremderregte Erregerwicklung der Erregermaschine, 6 der Frequenzwandler und 8 eine in Reihe liegende Stromquelle zur Lieferung einer konstanten, aber regelbaren Gleichspannung. Die Schaltung entspricht im übrigen der Abb. 1. Die Bürsten des Frequenzwandlers sind dabei so einzustellen, daß bei Leerlauf Feldachse und Bürstenachse wenigstens angenähert aufeinander senkrecht stehen und daß die EMK des Frequenzwandlers einen Strom im Läufer der Asynchronmaschine bewirkt, der entgegen der Richtung des Drehfeldes magnetisiert. Die Gleichspannung· 8 muß größer als die maximal mögliche EMK des Umformers sein und muß ihr entgegenwirken, so daß nur die Differenz beider Spannungen wirksam ist. Wenn sich nun mit wachsender motorischer oder generatorischer Belastung die Feldachse des Frequenzwandlers im einen oder anderen Sinn gegenüber der Bürstenachse dreht, wird seine EMK kleiner, die resultierende Spannung im Läuferkreis also größer, so daß der Ankerstrom des Hauptmotors mit wachsender motorischer und generatorischer Belastung wie verlangt ansteigt. Die Anordnung hat den weiteren Vorteil, daß auch bei einer durch andere Einflüsse, z. B. durch wachsende Blindleistungsabgiabe bedingten Spannungssenkung im Netz, die Spannung des Frequenzwandlers kleiner, die wirksame'Spannung im Erregerkreis der Maschine 5 also größer und dadurch die Spannungssenkung verkleinert wird.

Durch richtige Bemessung kann dabei die Stänider-EMK oder auch die Klemmenspannung der als Generator arbeitenden Maschine unabhängig von der Belastung angenähert konstant gehalten werden. In an sich bekann·

ter Weise kann ferner durch einen epannungsabhängigen Schnellregler die Gleichspannung im Ankerkreis derartig· geregelt werden, daß die Klemmenspannung des Generators bei wechselnder Belastung konstant bleibt oder einem vorgeschriebenen Gesetz folgt. Statt die beiden Gleichspannungen im Ankerkreis in Reihe zu schalten, kann man sie auch auf unabhängige Stromkreise schalten.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Regelsatz, bestehend aus einer synchronen oder synchronisierten asynchronen Maschine (Hauptmaschine) und einem in deren Erregerkreis eingeschalteten asynchronen Einankerumformer (Frequenzwandler), der mit konstanter Mehrphasenspannung erregt ist und den Erregerkreis einphasig speist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck der Kompoundierung der Hauptmaschine die Bürstenbrücke des Frequenzwandlers in denjenigen Bereich eingestellt ist, in welchem mit wachsender generatorischer oder motorischer Belastung der Hauptmaschine die resultierende Erregerspannung infolge der zunehmenden Winkelverschiebung zwischen Läuferstellung der Hauptmaschine und Netzspannungsvektor anwächst.
2. 2. Regelsatz nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer der Hauptmaschine in Gegenschaltung von einer konstanten, durch äußere Eingriffe regelbaren Gleichspannung und von der Spannung des Frequenzwandlers erregt wird.
3. 3. Regelsatz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürsten des Frequienzlwandlers so eingestellt sind, daß bei der Leerlaufstellung des Läufers Feldachse und Bürstenachse wenigstens angenähert aufeinander senkrecht stehen.
4. 4. Regelsatz nach Atispruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung der Hauptmaschine unter Zwischenschaltung einer Kommutatorhintermaschine und gegebenenfalls einer für diese bestimmten Erregermaschine erregt wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen