DE618365C - Anordnung an Asynchronmaschinen mit ueber, einen Frequenzwandler mit Schlupffrequenzerregter Kommutatorhintermaschine zur voneinander unabhaengigen Steuerung der Wirk- und Blindleistung durch getrennte Regelorgane - Google Patents

Description

Bei der Drehzahl-, Leistungs- oder Spannungsregelung von Asynchronmaschinen durch Kommutatormaschinen, die in den Sekundärkneis der Asynchronmaschine eingeschaltet sind, ergeben sich bekanntlich Schwierigkeiten dadurch, daß bei Abweichung· vom Synchronismus in den Erregerkreisen der Asynchron- und Kommutatormaschinen Gegenspannungen der "Wechsel- und. Selbstinduktion auftreten und dadurch, daß Drehzahlschwankungen der Kommutatormascbinen störend einwirken. Eine zur Regelung einer Asynchronmaschine dienende Anordnung· ist beispielsweise in Abb. ι dargestellt. Die zweiphasige Läuferwicklung· 2, 3 der Asynchronmaschine 1 wird von der Kommutatormaschine 4 gespeist, die ihrerseits von der läufererregten Kommutatormaschine (Frequenzwandler) 5 erregt wird. Die den Schleifringen -6 dieser Maschine zugeführte Eraegerspannung wird gewöhnlich dem Netz entnommen. Es ist bekannt, daß man bei gleichbleibendem Schlupf der Asynchronmaschine durch Vergrößerung und Verkleinerung- einer Komponente der Er»

S5 regerspannung von bestimmter Richtung· im wesentlichen die Wirkleistung (oder Drehzahl) und durch "Änderung -der Größe einer zweiten Komponente der Erregerspannung, die senkrecht zur erstgenannten steht, im wesentlichen die Blindleistung- (oder Spannung) der Asynchronmaschine annähernd unabhängig· voneinander einstellen kann. Zu dem Zweck der getrennten Einstellung von Wirk- und Blindleistung seien z.B. die beiden Drehregler 7 und 8 vorgesehen, deren Primärteil vorläufig ohne Zwischenschaltung " des Transformators 9 mit dem Netz verbunden zu denken ist. Jeder Drehregler stellt in bekannter Weise 'einen Doppeldrehtransformator dar, dessen beide bewegliche Sekundärhälften bei -ihrer Verstellung- sich gegenläufig so verdrehen, . daß die resultierende Spannung dabei nur ihrer Größe, nach, nicht aber ihrer Richtung nach, verändert· wird. Der Drehregler 7 liefere z. B. eine Spannung· der Richtung· des stark ausgezogenen, Pfeiles nach Abb. 2. ■ Die Einstellung des Drehreglers erfolgt so, daß diese Richtung mit derjenigen zusammenfällt, die zur unabhängigen Steuerung der Wirkleistung notwendig · ist. Der zweite Drehregler 8 wird so leingestellt, daß er eine -Spannung senkrecht dazu in Richtung des starken, gestrichelten Pfeiles zur Steuerung der Blindleistung liefert. Es ist selbst. verständlich, daß die Drehregler 7 und 8 zum Zwecke der Wirk- und Blindleistungseinstel-

*) Von dem Patentsucher sind als die Erfinder angegeben worden: - "■""'".

Dr.-Ing. Johann Ossana, Dipl.-Ing. Hans Graner, Dipt.-Ing. Frits Hofmann' in München.

lung außer durch, selbsttätige Regeleinrich tungen auch noch, von Hand verstellt werden können.

Die dargestellte notwendige Richtung der Komponenten der Erreger spannung für die gegenseitig unabhängige Regelung gilt jedoch nur für einen bestimmten festen Schlupf; in Abb. 2 beziehen sich, die Richtungen der beiden stark ausgezogenen Erregerkomponenten beispielsweise auf die Schlüpfung Null, d.h. auf den Fall des Synchronismus. Ändert sich jedoch, der Schlupf, so ändern sich auch aus den eingangs erwähnten Gründen die notwendigen Richtungen der Erreger-Spannungskomponenten für die annähernd gegenseitig unabhängige Regelung von Wirkleistung (oder Drehzahl) und Blindleistung (oder Spannung). Im Beispiel der Abbl 2 sind durch die ausgezogenen Pfeile die not- -wendigen Richtungen der Erregerspannungskompoaenten zur Regelung der Wirkleistung für verschiedene positive und negative Schlüpfungswerte leingetragen, -wie sie sich, etwa bei einer Schaltung nach Abb. 1 ergeben. Die jieweUs senkrecht dazu stehlenden Richtungen für die Regelung der Blindleistung sind gestrichelt eingezeichnet. Man sieht aus der Abbildung, daß die Komponente der Erregerspannung, die bei der Schlüpfung Null die Wirkleistung beherrscht, bei unveränderter Richtung und zunehmender Schlüpfung immer weniger Einfluß auf die Wirkleistung, dagegen «inen zunehmenden Einfluß auf die Blindleistung ausübt, bis bei etwas über 2 <y₀ Schlüpfung im gezeichneten Beispiel der Einfluß auf die Wirkleistung überhaupt ausfällt. .Bei"■"'weiterer Zunahme der Schlüpfung erscheint zwar der Einfluß auf die Wirkleistung wieder, abier nunmehr im umgekehrten Sinn. Entspnechendes gilt von der Komponente, die bei der Schlüpfung Null im wesentlichen die Blindleistung beherrscht.

Man kann zwar bei jeder Schlüpfung jede gewünschte Wirk- und Blindleistung allein durch Größenänderung zweier Komponenten, z. B. der beiden stark Tausgezogenen, 'einstellen, allein der Umstand, daß die Eindeutigkeit der Regelung dabei vollkommen verlorengeht, macht dieses Regelverfahren mit zwei der Richtung nach, im Vergleich! zur Netzspannung feststehenden Spannungskomponenten praktisch' unbrauchbar, wenn die Asynchronmaschine im Betrieb mit verschiedenen Schlüpfungien arbeiten muß. Im erhöhten Maße gilt dies natürlich, wenn die Regelung nicht von Hand, sondern selbsttätig erfolgen soll. Nebenbei sei bemerkt, daß es praktisch Fälle geben kann, bei denen sich' die obenbeschriebene Umkehrung des Regelungssinnes nicht nur einmal, sondern mehrmals innerhalb des Arbeitsbereiches wiederholen würde.

Man hat versucht, diese Schwierigkeit durch elektrische Kompensationseinrichtungen, bestehend aus Maschinen, Transformatoren, Induktivitäten, Kapazitäten usf., zu beseitigen, wobei diesen Apparaten die Aufgabe zufällt, die in den Enegennaschinen und der Asynchronmaschinie bei Abweichung vom Synchronismus entstehenden Spannungen der Selbstoder Wiechselinduktion durch Entwicklung entsprechender Gegenspannungen mehr oder minder aufzuheben. Bei vollständiger Kompensation kann die Maschine dann im Asynchronismus durch dieselben Erregerspannungen wie jm Synchronismus beherrscht werden. Dieses bekannte Verfahren hat aber den Nachteil, daß die Kompensationseinrichtungen zur Aufhebung der. störenden Einflüsse umständlich Und teuer ausfallen und daß es häufig, insbesondere bei mehreren hintereinandergeschalteten Erregerkreisen, praktisch trotzdem nicht möglich ist, die störenden Einflüsse in ausreichendem Maße zu beseitigen. ■ Die Erfindung betrifft eine Anordnung, mit der diese Schwierigkeit auf eine neue und einfache Weise beseitigt wird. Erfindungsgemäß ist ein selbsttätig in Abhängigkeit vom Schlupf der Asynchronmaschine gesteuerter Regler vorgesehen, der die von den Regelorganen (beispielsweise Stufen-, Dreh-, Schubtransformatoren, Widerständen, Drosseln) für die Regelung. der Erregung . der Kommutatorhintermaschine dem Frequenzwandler zugeführten, im Vektordiagramm zueinander senkrechten Spannungen in ihrer Phasenlage bei sich änderndem Schlupf dreht. Die Drehung entspricht dabei mindestens annähernd der bei Änderung des Schlupfes, wie geschildert, sich einstellenden Drehung der Phasenlage des Ohmschen und induktiven SpannungsabfaU.es an der Erregerwicklung der Kommu-■tatorhmtermaschine. Durch eine derartige Einrichtung wird also selbsttätig die beispielsweise in Abb. 2 für jede Schlüpfung dargestellte notwendige Richtung der Komponenten der Erregerspannung für die möglichst eindeutige 'und voneinander unabhängige Steuerung von'Wirk- und Blindleistung eingestellt.

Die Abb. 1 ist als Anwendungsbeispiel entsprechend erweitert worden. Der Drehregler 7 soll jetzt wieder bei jeder Schlüpfung im wesentlichen die Wirkleistung und der Drehnegier 8 im wesentlichen die Blindleistung beherrschen. Da bei jeder Schlüpfung die Komponenten zur Steuerung/von Wirk- und Bundleistung aufeinander senkrecht stehen, kann die gegenseitige Einstellung der beiden Drehregler, wie oben ■ beschrieben, bestehen bleiben. Bei sich änderndem Schlupf müssen aber beide Komponenten zusammen um den Reichen Winkel 'entsprechend der Forderung

nach Abb. 2 verdreht werden. Beispielsweise dient für diesen ZweckieinPiiehtrajnsformator.9, der zwischen dem Netz und den beiden Drehreglern eingeschaltet wird. An der Antriebswelle 10 des beweglichen Teiles des Drehtransformators greift die „selbsttätige Regeleinrichtung 11 an, die für die geforderte Abhängigkeit des Verdriehungswinkels von der Schlüpfung zu sorgen hat. Die Welle 10 ist über das Kurvenräderpaar 12 mit dem Anker eines kräftigen Elektromagneten 13 mit der Gegenfeder 14 verbünden. Zur Regeleinrichtung Ii gehört außerdem ein kleiner Stromerzeuger 15, den die mit einer dem Schlupf

x5 der Asynchronmaschine proportionalen Drehzahl umlaufende Welle 16 antreibt; die Spannung der Maschine 15 ist also bei fester Erregung dem Schlupf proportional. Sie wird zusammen mit einer konstanten Spannung, beispielsweise der Spannung der Batterie 17, auf die Spule des Elektromagneten 13 geschaltet. Die- konstante' Spannung wird zur Polarisation des Elektromagneten 13 eingeführt, damit zu jedem Schlupf eindeutig eine bestimmte Stellung des Ankers gehört. Die mit dem Magneten verbundene Welle des Kurvenräderpaares 12 führt also eine Drehbewegung aus, deren Größe eindeutig vom Schlupf ,abhängt. Der Verlauf dieser Abhängigkeit und die Form der Kurvenräder 12 wird durch Vier such oder Rechnung gefunden.

Praktisch wird man eine Ausführung der

Regeleinrichtung 11-genau nach Abb. 1 wegen der unwirtschaftlichen Größe, die Elektromagnet 13 und Maschine 15 zur sicheren Beherrschung der Gegenkräfte des Drehtransformators 9 annehmen müßten, vermeiden. Man wird vielmehr, wie in ähnlichen Fällen üblich, selbsttätige Regler mit Servomotoren verwenden. Abb. 3 zeigt eine derartige Ausführung der selbsttätigen Regeleinrichtung 11 unter Vierwendung eines z. B. hydraulischen Servomotors. Die Welle 10 des Drehtransformators 9 werde verstellt durch den Drehkolben 18 des schematisch angedeuteten hydraulischen Servomotors 19. Vom Elektromagneten 13 wird nun lediglich das nicht gezeichnete Steuerventil des Servomotors 19 betätigt, und zwar, wie üblich, so, daß eine Abweichung von der Mittellage des Ankers nach oben eine Drehbewegung der Welle io· im einen Sinne und eine Abweichung nach unten eine Drehbewegung im Gegensinne zur Folge hat. Die Drehbewegung dauert so lange an, bis der Anker des Magneten 13 wieder seine Mittellage angenommen hat. Ist also der Anker einmal durch eine Spajnnungsänderung der Maschine 15 infolge einer Schlupfänderung aus dem Gleichgewicht gebracht, so wird die Drehbewegung der Welle 10 so lange andauern, bis durch eine weitere zusätzliche auf den Anker, des Magneten 13 wirkende Kraft der Anker wieder ..in . seine ursprüngliche Gleichgewichtslage zurückgeführt wird. Dies geschieht durch die. Feder 20, deren Spannung mit Hilfe der auf. der Welle 10 befestigten Kurvenscheibe 21, der Fühlstange 22 mit Druckfeder 23 von der .jeweiligen Winkelstellung der .'Welle 10 abhängt. Durch entsprechende Wahl der Form der Kurvenscheibe 21-kann man erreichen, daß bei jedem beliebigen Schlupf gerade in der für die unabhängige Regelung der Asynchronmaschine ι notwendigen Winkelstellung der Welle ι ο der Anker des Magneten 13 seine mittlere Gleichgewichtslage erreicht. Die Ausführungsmöglichkeiten solcher Regler sind natürlich sehr zahlreich.

In dem Beispiel nach Abb. 4 sei nur noch gezeigt, wie die mechanische Vorspannung in Abb. 3 durch eine elektrische ersetzt werden kann. Das Magnetsystem 13 ist z.B. als von Natur aus polarisiert angenommen, so daß die Batterie 17 entbehrlich ist, ebenso die Feder 14, wenn der Anker vom Eigengewicht 'entlastet ist. Die Regelung erfolgt hier gewissermaßen nach einer Nullmethode. In den Stromkreis des Magneten 13 wird eine Rückführungsspannung eingefügt, die aus dem von der Batterie 26 gespeisten Spannungsteiler 25 entnommen wird. Der Gleitarm 24 des Spannungsteilers, mit dem diese Spannung abgegriffen wird, ist mit der Welle 10 gekuppelt. Auch hier kann durch entsprechende Abstufung der Spannungsteilerwiderstände erreicht werden, daß bei jedem Schlüpfungswert die Gleichgewichtslage gerade bei der für die unabhängige Regelung der Asynchronmaschine: notwendigein Stellung der Welle 10 erreicht wird. Es ist klar, daß je nach den einzelnen Verhältnissen die Erfahrungen der modernen Reglertechnik, z. B. über Anwendung von Dämpfungseinrichtungen usf., bei der praktischen Ausführung der Regeleinrichtung 11 ausgenutzt werden.

Man kann eine Ersparnis an elektrischen Apparaten dadurch erzielen, daß man den Drehtransformator 9 mit den Drehreglern 7 und 8 vereinigt, indem man deren Ständer drehbar macht und die Regeleinrichtung 11 leine gemeinsame Verdrehjung aller vier Ständer der zwei Drehregler und damit ,eine gleichsinnige Verdrehung der von diesen gelieferten Spannungskomponenten bewirken läßt.

Es muß noch erwähnt werden, daß bei einer Schlupfänderung bei einer Schaltung nach Abb. ι wohl selbsttätig durch die Regeleinrichtung 11 die richtige Phasenlage für die Regelung von Wirk- und Blindleistung eingestellt wird, daß aber die sich einstellenden Wirk- und Blindleistungen bei verschiedenem

Schlupf vierschieden groß sind, wenn an der Einstellung der Drehregler 7 und 8 nichts geändert ¹WiTd. Sollen also Wirk- und Blindleistung unabhängig vom Schlupf sein, so muß hei jeder Schlupf änderung an den Drehregler» 7 und 8 nachgestellt werden. Werden hierzu selbsttätige Wirk- oder Blindleistungsregler verwendet, so ergeben.sich keine besonderen Schwierigkeiten. Immerhin können die Unterschiede der Größe der Erregerspannungen bei verschiedenem Schlupf für konstante Leistung so groß sein, daß eine Entlastung der Drehregler 7 und 8 wünschenswert erscheint. - Bei Handregulierung von 7 und 8 ist es sogar unangenehm, wenn die Leistungsunterschiede bei verschiedenem Schlupf ohne Nachregelung- sehr groß ausfallen. Dieser Nachteil kann größtenteils dadurch vermieden werden, daß man demDrehreglern7 und 8 nicht nur eine der Richtung nach vorgeschriebene Spannung zuführt, sondern auch die Größe dieser Spannung durch eine weitere selbsttätige Regeleinrichtung in bestimmte Abhängigkeit vom Schlupf bringt. Dazu kann 'βία zwischen Netz und Drehtransformator 9 eingebauter Stufentransformator oder Drehregler dienen, der durch eine zweite selbsttätige Regeleinrichtung ähnlich im Prinzip der Einrichtung 11 verstellt wird. Die Abhängigkeit der Spannumgsgröße vom Schlupf kann z. B. so gewählt werden, daß ein bestimmter Leistiungswert unabhängig vom. Schlupf konstant gehalten wird ohne Nachstellung der Drehregler 7 und 8., Bei anderen Leistungswerten wird dann allerdings immer noch eine Nachstellung notwendig sein, die jedoch wesentlich kleiner ausfallen wird als ohne die zusätzliche Einrichtung. Man kann z. B. praktischerweise die Abhängigkeit auch so wählen, daß selbsttätig immer eine mittlere, dem augenblicklichen Schlupf entsprechende Größe der Erregerspannung eingestellt wird. Wenn die den Drehjieglena 7 und 8 zugeführte Spannung nicht nur der Richtung, sondern auch der Größe nach vorgeschrieben ist, ist es natürlich nicht unbedingt notwendig, diese Spannung gerade auf die beschriebene Weise durch einen Richtungsnegler und einen Spannungsregler zusammenzusetzen. Man kann sie natürlich noch auf beliebig viele Arten aus mehrenen Komponenten bilden, die im einzelnen nur so" vom Schlupf abhängen müssen, daß ihre Summe immer der genannten Grundbedingung entspricht.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Erregeranordnung der.Asynchronmaschine: von beliebiger Art sein kann und die Regeleinrichtungen nicht nur in den netzperiodigen, somdem auch in den schlupfperiodigen Erregerkreisen liegen können, -wenn den dort vorliegenden Verhältnissen !entsprechend geartete Regeleinrichtungen verwendet werden.

In vielen Fällen, namentlich bei Vierwendung mehrerer hintereinandeirgeschalteter Ernegerkreise für die Asynchronmasdbine, wird es zweckmäßig sein, das vorliegende Verfahren mit anderen bekannten RegeJungsverfalnien zu kombinieren.

Die Erfindung wurde an Hand eines Bei-Spieles erläutert, bei dem die Erregung der Kommutatormaschinen aus dem Primärnetz der Hauptmaschine erfolgt. Selbstverständlich läßt sich die Erfindung auch auf solche Anordnungen anwenden, bei denen eine derartige Verbindung mit dem Primärnetz nicht besteht,

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung an Asynchronmaschinen mit über einen Frequenzwandler mit Schlupffrequenz erregter Kommutatorhintermaschine (Haupt- oder Hilfskommutatorhintermaschine) zur voneinander unabhängigen 'Steuerung der Wirk- und Blindleistung durch getrennte Regelorgane, gekennzeichnet durch einen in Abhängigkeit vom Schlupf selbsttätig gesteuerten Regler (11), der die von den Rejgelorganen (beispielsweise Stufen-, Dreh-, Schubtransformatoren, Widerständen, Drosseln) für die Regelung der Erregung der Kommutatorhmtermaschine dem Frequenzwandler zugeführten, im Vektordiagramm zueinander senkrechten Spannungen in ihrer Phasenlage bei sich änderndem Schlupf dreht, derart, daß diese Drehung mindestens annähernd der bei Änderung des Schlupfes sich einstellenden Drehung der Phasenlage des (Ohmstihen und induktiven) Spannungsabfalles an der Erregerwicklung der Kommutatorhintermaschine entspricht.
2. 2. Anordnung mach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung eines mit einer dem Schlupf der Asynchronmaschine proportionalen Drehzahl ¹Umla'ufenden Gleichstromerzeugers den selbsttätigen Regler steuert.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die selbsttätigen Regler mit Servomotoren ausgerüstet sind, deren Steuerorgan mechanisch oder elektrisch zwangsläufig von der Stellung der Welle des Regelorgans abhängig ist. ■
4. 4_t Anordnung mach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerorgan des Servomotors in Abhängigkeit von einer Spannungsdifferenz steht, die sich aus einer der Schlüpfung proportionalen Spannung und einer zur elektrischen Rück-

   führung dienenden Spannung zusammensetzt, die ein mit einer konstanten Spannung gespeister, von der "Welle des Riegelorgans betätigter Spannungsteiler liefert.
5. 5. Anordnung mach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachstellung der die Wirk- und Blindleistung beherrschen

   den Regelspanöungen auf konstante Leistungs- (oder Drehzahl- oder Spannunga-) werte der Asynchronmaschine oder die Einstellung dieser Werte in Abhängigkeit von irgendeiner Betriebsgröße durch besondere selbsttätig arbeitende Riegler erfolgt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   BERLIN. GEDRUCKT IN DER IiEICIISDRIJCKEIiEI