DE643692C - Symmetrierung eines einphasig belasteten Mehrphasensystems mittels eines Regelmaschinensatzes - Google Patents

Description

Bekanntlich wird jedes Mehrphasensystem bei fehlenden Energiespeichern in Form umlaufender Massen oder elektrischer Schwingungskreise durch eine Einphasenlast unsymmetrisch belastet, d. h. die einzelnen Phasen des Mehrphasensystems liefern voneinander verschiedene Leistungen, und die gesamte Leistungsentnahme aus dem Mehrphasennetz ist zeitlich nicht konstant, sondern schwankt im Takte der doppelten Frequenz. In vielen Fällen ist aber eine solche Belastung eines Mehrphasennetzes mit Rücksicht auf die Leistungsfähigkeit der Stromerzeuger und mit Rücksicht auf die Spannungsverhältnisse im Netz unzulässig·, oder sie muß zumindest innerhalb enger Grenzen gehalten werden.

Es sind mehrere Anordnungen bekannt, welche eine Einphasenlast durch Energiespeicherung im Takte der doppelten Frequenz so ergänzen, daß eine symmetrische, zeitlich konstante Belastung des Mehrphasennetzes zustande kommt. Dabei sind im günstigsten Fall an solche Ausgleichsanordnungen folgende Bedingungen zu stellen:

' a) Möglichst gute selbsttätige und stetige Anpassung an die jeweilige Größe der Einphasenlast,

b) Aufrechterhaltung der Symmetrie im Mehrphasennetz bei beliebigen Phasenver-Schiebungen im Einphasennetz,

c) Blindleistungskompensation im Mehrphasennetz, unabhängig von der Art der Einphasenbelastung,

d) geringe Anschaffungs- und Unterhaltungskosten. ,

Die bekannteste Umformungsart, welche den ersten drei Regelbedingungen genügt, also den Bedingungen a bis c, ist der Motorgenerator. Doch wird hierbei Bedingung d nicht erfüllt; denn der Motorgenerator, der z. B. aus einem Mehrphasensynchronmotor und einem Einphasensynchrongenerator besteht, ist teuer, da jede der beiden Maschinen für die volle Leistung auszulegen ist. Auch eine Umformermaschine, welche die Phasenauf spartung in einem Anker vornimmt, ist verwickelt im Aufbau, teuer und empfindlich in der Regelung. Eine billigere Phasenumformungsart stellt der. Reihenumformer von A1 e χ a η d'e r son dar. Hier wird die Emphasenleistung teils transformatorisch, teils maschinell über den Phasenumformer aus einem Drehstromnetz entnommen. Jedoch läßt dieser Umformer keine Blindleistungskompensation zu, ohne die Symmetrie zu stören. Als ruhende Anordnungen sind Einrichtungen bekannt, welche durch Hinzunahme von Drosselspulen und Kondensatoren, also durch elektrische Energiespeicher, eine Symmetrierung herbeiführen. Doch sind hierbei die

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

Richard Tröger in Berlin-Zehlendorf.

Regelbedingungen a bis c nur schwer zu erfüllen, da eine- !'einstufige und stetige Regelung, namentlich bei Verwendung von Kon-' densatoren, kaum durchführbar ist, und da selbst eine Grobstuf enregelung schon eine erhebliche Verteuerung der Schaltanlage bedingt. Auch Bedingung d läßt sich nur teil- ^ weise erfüllen: Großen Anschaffungskosten stehen kleine Unterhaltungskosten nur dann ίο gegenüber, wenn man auf eine größere Zahl von Schaltstufen verzichtet.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, welche einerseits nicht so kostspielig ist wie ein aus zwei getrennten Maschinen bestehender Motorgenerator, andererseits aber die Vorteile des Motorgenerators beibehält, nämlich den ersten drei Regelbedingungen a bis c zu genügen. Bei der bekannten Einrichtung zur Symmetrierung eines unsymmetrisch belasteten Mehrphasennetzes mit Hilfe eines fremderregten Phasenumformers, der die Unsymmetrielast auf die Wicklungen eines Scottransiormators, der primär mit dem Mehrphasennetz gekuppelt ist, symmetrisch verteilt, werden nach der Erfindung in den Stromkreis jeder Wechselstromwicklung des Phasenumformers zwei Leistungen eingefügt, von denen in demjenigen Stromkreis, der die einphasig belastete Phase I„ des Scottransformators« beeinflußt, die Spannung der einen Leistung im wesentlichen um ο , die Spannung der anderen Leistung im wesentlichen um 90 der Spannung an der zugehörigen Wicklung des Phasenumformers voreilt, während im zweiten Stromkreis die Spannung der einen Leistung im wesentlichen um 180 , die der anderen Leistung im wesentlichen um 90 gegenüber der Spannung an der zugehörigen Wicklung des Phasenumformers nacheilt. Besonders vorteilhaft ist es, die beiden Leistungen zwei mit dem Phasenumformer starr gekuppelten Zusatzmaschinen zu entnehmen, deren je in einem Stromkreis liegende Wicklungen I₁-. I,/, II,·, II,; räumlich derart gegeneinander versetzt sind, daß die an ihnen auftretenden Spannungen um 90 elektrische Grade gegeneinander verschoben sind und deren Erregerwicklungen E_rj- E_n- unabhängig voneinander so eingestellt werden, daß die Unsymmetrie beseitigt und die Blindleistung im Mehrphasennetz beliebig weitgehend kompensiert ist.

Abb. ι zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem Drehstrom von 50 Hz in Einphasenwechselstrom von 50 Hz umgeformt wird. Dr ist das Drehstromnetz, α ein Scottransformator, E₁ das Einphasennetz mit der Einphasenlast L'e- Das EinphasennetzE₁ liegt an der Wicklung I₁₁ des Scottransformators a. Der öo Maschinensatz besteht aus der Hauptmaschine b und den beiden mit dieser starr gekuppelten Zusatzmaschinen c und d. Die. an sich bekannte Hauptmaschine b besitzt zwei räumlich : derart gegeneinander versetzte Wicklungen I& ijtpd lift, daß die an ihnen auftretenden Span-Zungen um 90 elektrische Grade verschoben sind. Die Spannung an der Wicklung I^ ist gleichphasig mit der Spannung an der Wicklung I„; ebenso ist die Spannung an der Wicklung lift gleichphasig mit der Spannung an der Wicklung II„. Ε,ι, ist die Erregerwicklung der Hauptmaschine b. Die Wicklungen 1*, Ic und Iu sind in Reihe geschaltet. Alle drei Wicklungen liegen parallel zur Wicklung I₁₁. Das gleiche gilt von den Wicklungen 11*, 11₁- und !I,/, welche parallel zu der Wicklung II„ liegen. Die Einphasenlast Li-: kann sowohl von der Transformatorwicklung I₀ aus als auch gleichzeitig von der Maschine b über Wicklung l_b aus gespeist werden. Die Leistung wird also der Einphasenlast Le gleichzeitig transformatorisch und generatorisch zugeführt. Die Hauptmaschine b kann als Einankermotorgenerator aufgefaßt werden, bei welchem die Wicklung I/, die Rolle des Generators, die Wicklung lift die des Motors übernimmt. Zweckmäßig trägt das gleichstromerregte Polrad eine kräftige Dämpferwicklung zur Unterdrückung des inversen Drehfeldes, welches die Summe der von den beiden Wicklungen I* und lift herrührenden inversen Drehfelder darstellt.

Wird nun im Leerlauf bei unerregten Zusatzmaschinen c und d, also bei fehlender Einphasenlast, die Hauptmaschine b so erregt, daß die Spannung Un, der Spannung Ui„ und die Spannung Um, der Spannung U'//„ das Gleichgewicht hält, so fließt im Stromkreis der Maschinen If₁, c und d kein Strom, abgesehen von dem der Leerlaufantriebsleistung entsprechenden Strom. Würde nun die Wicklung I₁, belastet werden und bliebe die Spannung Uι,, gleich der Spannung U/b und die Spannung U;/„ gleich der Spannung LJub, so würde die Wicklung I„ die gesamte Einphasenlast allein liefern, d. h. das Drehstromnetz würde unsymmetrisch belastet werden.

Soll nun erreicht werden, daß das Drehstromnetz symmetrisch belastet wird, dann muß die Einphasenlast Le je zur Hälfte auf beide Wicklungen I„ und II« verteilt werden. Dies ist nur möglich, wenn die Wicklung I„ durch die Wicklung I/, entlastet wird unter gleichzeitiger Belastung der Wicklung II„ durch die Wicklung 11/,. Über die Wicklung H₁, wird also dem Maschinensatz eine mit der doppelten Frequenz pulsierende Leistung zugeführt, welche in der Phasenlage der Leistungspulsationen um 90⁰ gegenüber der von der Wicklung IL, herrührenden Leistung verschoben über die Wicklung I* an die Wicklung I„ so weitergegeben wird, daß

in der Primärwicklung des Soottransformators eine zeitlich konstante Drehstromleitung entsteht.

Die gewünschte Wirkung der Hau.ptmaschine b kann nun nicht erzielt werden durch Änderung der Erregung der Erregerwicklung Erb, sondern hierzu sind die beiden Zusatzmaschinen c 'und d notwendig. Der Aufbau der beiden Zusatzmaschinen c und d entspricht vollkommen demjenigen der Hauptmaschine b. In der Schaltung nach Abb. ι liegen die beiden Maschinen c und d in Reihe mit der Hauptmaschine b. Sie sind daher für den Strom der Hauptmaschine auszulegen; dagegen sind sie nur für einen kleinen Bruchteil der Spannung der Hauptmaschine b zu bemessen.

Die Zusatzmaschine c dient, wie aus der noch folgenden Beschreibung des Vektordiagramms der Abb. 3 hervorgeht, vornehmlich zur Symmetrierung des Blindlastanteiles der Einphasenlast Le, während die Zusatzmaschine d den Wirklastausgleich veranlassen soll. Die Schaltung des Regelsatzes ist so getroffen, daß die Zusatzspannungen, welche an den beiden Wicklungen I_c und II_C der Zusatzmaschine c auftreten, durch die Erregung der Erregerwicklung E_rc so geregelt werden, daß sich die Spannung an der· Wick lung I_c zur Spannung an der Wicklung Ij algebraisch addiert und daß die Spannung an der Wicklung II_C sich von der Spannung an der Wicklung IIj algebraisch subtrahiert, während die Zusatzspannungen, welche an den

beiden Wicklungen Id und IL; auftreten, durch die Erregung der Erregerwicklung E_ra so geregelt werden, daß die geometrische Summe aus den beiden infolge der räumlichen Verteilung der beiden Wicklungen aufeinander senkriecht stehenden Spannungen an den Wicklungen Ia und Ij eine resultierende Spannung ergibt, welche gegenüber der Spannung an der Wicklung Ij in voreilendem Sinn verschoben ist, während gleichzeitig die Spannung an der Wicklung IL; so auf der Spannung an der Wicklung I Ij senkrecht steht, daß die Summe aus diesen beiden Spannungen eine resultierende Spannung ergibt, welche gegenüber der Spannung an der Wicklung I Ij in nacheilendem Sinne verschoben ist. Damit die beiden Zusatzmaschinen die ihnen zugewiesenen Aufgaben erfüllen können, müssen ihre Wicklungsanordnungen so getroffen sein, daß !erstens die Spannung an der Wicklung I_c in Phase mit jener an der Wicklung Ij, die Spannung an der Wicklung II,.· in Gegenphase zu jener an der Wicklung I Ij liegt, daß zweitens die Spannung an der Wicklung L; um 90⁰ gegenüber jener an der Wicklung Ij voreilend verschoben ist und daß die Spannung an der Wicklung 11,/ auf der Spannung an der Wicklung I Ij nacheilend senkrecht steht.

Die Wirkungsweise der vorgeschlagenen Regelanordnung wird durch das Vektordiagramm der Abb. 3 veranschaulicht. U₁₀ und UU₀ stellen die im Leerlauf aufeinander senkrecht stehenden und miteinander gleichen Leerlaufspannungen der Wicklungen Ij und IIj der Hauptmaschine b dar. Wicklung Ij stellt die Generatorphase dar, Wicklung IIj die Motorphase. Die beiden Kreise mit den einander gleichen Radien/?/ und Ru, deren Mittelpunkte Mi 'und Mn die Endpunkte der beiden Spannungsvektoren Ui₀ und Uu₀ sind, geben den Regelbereich an, welcher von den beiden Zusatzmaschinen c und d bestrichen wird. Die Größe der Kreishalbmesser ist der Einphasenscheinlast proportional. Da beide Zusatzmaschinen c und d in Reihe geschaltet sind, addieren sich ihre Zusatzspannungen geometrisch. Bei auftretender Emphasenlast müssen nun die Leerlaufspannungen U₁₀ und UU₀ durch die Zusatzspannungen A U/ und A Uu so ergänzt werden, daß richtige Leistungssymmetrierung zustande kommt, wobei die Wicklung Ij als Generator wirkt und die Wicklung IIj als Motor. Die Zusatzspannung A Ui setzt sich aus den zwei Komponenten A Uic und A Um zusammen, welche aufeinander senkrecht stehen. A U/_c liegt in Phase mit Ui₀ und dient zur Regelung der Übernahme des Blindlastanteils der einphasigen LastZ.£. t\Uia eilt gegenüber Ui₀ um go^c vor und dient zur Regelung der Übernahme des Wirklastanteils der einphasigen Last Le-Der Voreilwinkel φ/ ist unmittelbar ein Maß für die generatorische Belastung der Wicklung Ij.

Ähnlich setzt sich Δ Un aus den beiden aufeinander senkrecht stehenden Komponenten A Unc und A Una zusammen. A Uu_c liegt in Gegenphase zu Uu₀ und dient zur motorischen Übernahme desjenigen Blindlastanteils, welcher von der Generatorphase angefordert wird. A£///d verdreht die Phase der Spannung Uii im nacheilenden Sinn gegenüber der Spannung Uu₀, belastet also die Wicklung IIj motorisch, wobei der Winkel φ// unmittelbar ein Maß für die abgegebene Motorleistung ist, welche, abgesehen von den Verlusten in den Maschinen, gleich der Generatorleistung der Wicklung Ij sein muß.

Es ist also durch einfache Erregungsänderung der Zusatzmaschinen c und d für jede beliebige Einphasenlast vollkommene Symmetrierung des Drehstromnetzes durchführbar. Durch Regelorgane bekannter Art- kann die erforderliche Regelung von der Erregung der Erregerwicklungen E_rc und E_rd auch selbsttätig, abhängig von der Einphasenwirk- und -blindlast, vorgenommen werden. Ist der

Umformersatz auf vollkommene Symmetrierung eingeregelt, so kann das Drehstromnet alsdann durch Änderung der Erregung der Erregerwicklung £V₂ der Hauptmaschine b zusätzlich von jeglicher Blindlastlieferung befreit und im Bedarfsfalle sogar zusätzlich kapazitiv belastet werden. Der Umformersatz in der angegebenen Schaltung erfüllt also jede an ihn zu stellende Regelbedingung weitestgehend.

Abb. 2 stellt eine Abart der Schaltung des Regelmaschinensatzes dar. Die beiden Zusatzmaschinen c und d liegen nicht mehr unmittelbar in Reihe mit der Hauptmaschine b, sondem speisen über zwei Reihentransiarmatoren T₁ und T₂ in die beiden Hauptmaschinenstromkreiae hinein. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Regelmaschinen bezüglich Stromstärke und Spannung unabhängig vom Hauptstromkreis ausgelegt werden können, was unter Umständen zu günstigeren Abmessungen dieser Maschinen führt. Auch können die beiden Reihentransformatoren T₁ und T₂ noch mehrere Anzapfungen erhalten, durch welche bei entsprechender Schaltung ein teilweiser Ausgleich der inneren Verluste im Umformersatz möglich ist.

Eine weitere Abart der Schaltung besteht noch darin, daß entsprechend Abb. 4 nur eine Zusatzmaschine c vorgesehen wird und daß an die Stelle der zweiten Zusatzmaschine d zwei Doppeldrehregler/ und g treten, welche in gegenläufigem Sinn bewegt werden. Die Umformeranordnung ist in ihrer Anwendungsmöglichkeit nicht nur beschränktauf die Symmetrierung eines Mehrphasensystems, welches einphasig belastet wird, sondern kann auch zum Lastausgleich eines in den einzelnen Phasen ungleich belasteten Mehrphasensystems dienen. Gedacht ist dabei z. B. an die Versorgung eines Emphasenbahnnetzes von 50 Hz, welches aus einem Drehstromlandesnetz von 50 Hz gespeist wird und bei welchem die Fahrleitungsanlage des Bahnnetzes auf die einzelnen Phasen des Drehstromnetzes so aufgeteilt ist, daß sich eine möglichst gute Annäherung an eine symmetrische Belastung des Drehstromnetzes ergibt. Die bei einer solchen Betriebsweise noch bestehenden Ungleichheiten in der Belastung der einzelnen Phasen des speisenden Drehstromnetzes können durch ein Umformeraggregat nach der Erfindung ausgeglichen «erden, wobei die Größe des Maschinensatzes durch den Leistungsunterschied der einzelnen Phasen des Mehrphasensystems bedingt ist. Die Typenleistung der Maschinen fällt in diesem Fall immer wesentlich kleiner aus als öo bei reiner Einphasenbelastung eines Mehrphasennetzes.

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung zur Symmetrierung eines unsymmetrisch belasteten Mehrphasennetzes mit Hilfe eines fremderregten zweiphasigen Phasenumformers, der die Unsymmetrielast auf die Sekundärwicklungen eines Soottransformators symmetrisch verteilt, der primär mit dem Mehrphasennetz gekuppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in den Stromkreis jeder Wechselstromwicklung des Phasenumformers (b) zwei Leistungen eingefügt werden, von denen in demjenigen Stromkreis, der die einphasig belastete Phase (I„) des Scottransformators (a) beeinflußt, die Spannung der einen Leistung im wesentlichen um o°, die Spannung der anderen Leistung im wesentlichen um go' der Spannung an der zugehörigen Wicklung des Phasenumformers voreilt, während im zweiten Stromkreis die Spannung der einen Leistung im wesentlichen um 180', die Spannung der anderen Leistung im wesentlichen um 90⁰ gegenüber der Spannung an der zugehörigen Wicklung des Phasenumformers nacheilt.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leistungen mit dem Phasenumformer starr gekuppelten Zusatzmaschinen (c, d) entnommen sind, deren in je einem Stromkreis liegende, räumlich gegeneinander versetzte Wicklungen (I_f, 11₀ la, Ud) um 90 elektrische Grade gegeneinander verschobene Spannungen liefern und deren Erregerwicklungen (E_rc, E,d) unabhängig voneinander so eingestellt werden, daß die Unsymmetrie beseitigt wird.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zusatzmaschinen [c, d) gleicher Bauart und Größe sind und in ihrer Bauart mit der des Phasenumformers (b) übereinstimmen.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von den beiden Zusatzmaschinen (c, d) erzeugten Leistungen zusammengefaßt und über Transformatoren (T₁, T₂) in die Stromkreise des Phasenumformers (b) eingefügt werden.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der beiden Zusatzmaschinen (c, d) in Abhängigkeit von der Scheinleistung der einphasigen Last erfolgt, und zwar die der einen Maschine (d) im wesentlichen in Abhängigkeit von der Wirkkomponente, »ao die der anderen (c) im wesentlichen in Abhängigkeit von der Blindkomponente
6. der einphasigen Last, und daß die Erregung des Phasenumformers (b) in Abhängigkeit von der zu kompensierenden Blindlast des Mehrphasennetzes erfolgt. \ 6. Anordnung nach Anspruch i,· dadurch gekennzeichnet, daß in" jedem Stromkreis die eine Leistung einer für beide Stromkreise gemeinsamen Zusatzmaschine (c), die andere je einen Doppeldrehregler (/, g) entnommen wird.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung des Phasenumformers (Jb) erst nach beendeter Einstellung der Zusatzleistungen geregelt wird.
8. 8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Scottransformator mit einer Sekundärwicklung gleichzeitig zum Anschluß der einphasigen Last dient.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen