DE653707C - Anordnung zur Speisung der Schlupffrequenz fuehrenden Erregerwicklung von in den Sekundaerstromkreis von Asynchronmaschinen zwecks Drehzahlregelung eingeschalteten Kommutatorhintermaschinen - Google Patents

Description

REICH

NTAMT

Die Speisung von Wechselstromkreisen, deren Widerstand von, der Frequenz, vorn Strom oder sonst einer anderen Größe abhängig ist, mit Strömen vorgeschriebener Größe und Phasenlage macht gewisse Schwierigkeiten. Ein bekanntes Beispiel dafür bietet die Speisung der ständererregten Komrnutatorhintermaschine mit Schlupffrequenz. Die Erregerwicklung stellt einen vom Schlupf abhängigen Widerstand dar, der beim Schlupf Null (Synchronismus der Hauptmaschine) Ohmschen, bei größerem Schlupf dagegen überwiegend induktiven Charakter hat und mit dem Schlupf seinen Wert ändert. Um nun den Strom in der Erregerwicklung nach Größe und Phase unbeeinflußt von zufälligen Schlupfänderungen festzuhalten, könnte man die Erregerwicklung über einen mit der Hauptmaschine gekuppelten unkompensierten Kommutatorfrequenzwandler erregen und dem Frequenzwandler einen Stromverbraucher, z. B. eine Drosselspule, vorschalten, dessen Leistung groß gegenüber der des Frequenz Wandlers ist.

Infolgedessen ist der aus dem Netz aufge- . nommene Strom im wesentlichen durch die Drosselspule gestimmt und annähernd konstant. Die Einstellung des über den Frequenzwandler der Erregerwicklung zugeführten Stromes nach Größe und Phase kann durch zwei Stromwandler geschehen, deren regelbare Primärwicklungen in Reihe geschaltet sind, während ihre parallel geschalteten Sekundärwicklungen dem Frequenzwandler Ströme zuführen, die um 90⁰ zeitlich verschoben^ sind, so daß man Drehzahl und Leistungsfaktor der Hauptmaschine getrennt einstellen kann.

Um die Drosselspule nicht zu groß werden zu lassen, begnügt man sich damit, sie für ein gewisses Vielfaches der Frequenzwandlerleistung zu bemessen. Es macht sich dann eine mehr oder weniger große Änderung des Drosselstromes bemerkbar. Bei Synchronismus ist die Frequenzwandlerleistung praktisch Null. Der Drosselstrom ist dann durch den induktiven Widerstand der Drossel gegeben. Im untersynchronen Gebiet ist der Erregerwiderstand der Hintermaschine, auf das Netz bezogen, induktiv; mit der Drossel ist demnach ein induktiver Widerstand in Reihe geschaltet, so daß der Drosselstrom dadurch kleiner wird. Übersynchron ist dagegen der Erregerwiderstand, bezogen auf das Netz,

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

Dipl.-Ing. Hermann Harz in Berlin-Siemensstadt.

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kapazitiv und kompensiert dadurch einen Teil des Drosselwiderstandes, so daß der Drosselstrom größer wird. Sollen die regelbaren Stromwandler auf der Sekundärseite unter- und übersynchron die gleiche Leistung abgeben, so ist ihre Primärseite untersychron mit Strom, übersynchron mit Spannung schlecht ausgenutzt, so daß sie in den Abmessungen etwas größer werden. Außerdem ίο bedeutet die Drosselleistung einen zusätzlichen nacheilenden Blindverbrauch für das Netz, der zwar ausgeglichen werden kann, unter Umständen aber, z. B. bei großen Regelbereichen, eine unzulässige Mehrbelastung für die Hauptmaschine darstellt.

Diese Nachteile werden durch vorliegende "Erfindung vermieden. Sie gibt eine Anordnung zur Speisung der Schlupf frequenz führenden Erregerwicklung von in den Sekundärstromkreis von Asynchronmaschinen zwecks Drehzahlreglung eingeschalteten Kommutatorhintermaschinen mit Erregerstrom vorgeschriebener Größe und Phasenlage. Erfindungsgemäß wird die Erregerwicklung unter Zwischenschaltung eines unkompensierten Kommutatorf requenzwandlers von einer Konstantstromanordnung gespeist, die in an sich bekannter Weise einen Stromtransformator sowie einen Kondensator und. eine Drosselspule im Primärkreis des Stromtransformators enthält.

Der Erfindungsgedanke ist im folgenden an Hand der Fig. 1 näher erläutert. 1 bezeichnet eine Drosselspule, 2 einen Kondensator. Beide sind für gleiche Blindleistung bei einer bestimmten Frequenz bemessen und mit ihren Anfängen parallel an einen Pol des Wechselstromnetzes 3 gelegt; die beiden Enden sind in der dargestellten Weise an die Primärwicklung eines Stromtransformators 4 angeschlossen. Diese besitzt in der Mitte eine Anzapfung 5, die an den anderen Pol des Netzes führt. .

Die Sekundärwicklung des Stromtransformators ist auf den veränderlichen Widerstand 6, der die Erregerwicklung der Kommutatorhintermaschine darstellt, geschaltet. Der Widerstand 6 sei zunächst Null, dann ist auch die Primärwicklung des Strorntransformators 4 induktiv kurzgeschlossen, und die Netzspannung liegt in gleicher Weise an Drosselspule und Kondensator. Beide nehmen daher den gleichen Strom aus dem Netz auf, die Ströme sind jedoch um i8o° phasenverschoben. Für einen bestimmten Zeitmoment ist daher der Strom der Drosselspule J₁ im angedeuteten Sinne von oben nach unten gerichtet, durchfließt die rechte Hälfte der Primärwicklung von rechts nach links und verläßt sie durch die Anzapfung 5. Zur gleichen Zeit tritt der Strom des, Kondensators /₂ bei 5 ein, durchfließt die linke Hälfte der Primärwicklung ebenfalls von rechts nach links und fließt von unten nach oben ins Netz zurück. In den Netzzuleitungen ^ heben sich die beiden Ströme daher auf, so ■fiptß das Netz außer der geringen Verlust-'iieis|ung keinerlei Blindleistung zuführt. In Vctä'r Primärwicklung des Stromtransformators 4 wirken dagegen die Amperewindungen der linken und rechten Hälfte in gleichem Sinne und werden durch die entgegengesetzt gerichteten Amperewindungen des Sekundärstromes aufgehoben.

In Fig. 2 bezeichnet oa die Netzspannung £ nach Größe und Phase. Der Drosselstrom /1 = oc eilt der Spannung um 90⁰ nach, der Kondensatorstrom J₂ = ob um 90⁰ vor. Bezeichnet (IT₁. die gesamte primäre Windungszahl, ¹W₂ die sekundäre, und gibt man einem von den Wicklungsenden nach der Anzapfung 5 zu gerichteten Strom positives Vorzeichen, so erhält man für den Sekundärstrom

— Vo w

Die Differenz J₁ — J₂ ist eine Vektordifferenz und entspricht in Fig. 2 der Strecke b c.

Bezeichnet x& den Blindwiderstand der Drosselspule, x_c den Blindwiderstand des Kondensators, E die Netzspannung, so ergibt sich

J₁=W-L (*)'

/2 — i

.E

(3)

Xc

, = x_c = χ wird J₁ = J₂ und damit E W_x

X W»

Ja —

(4)

■(4a)-

wenn man mit J₃' den auf die primäre Windungszahl bezogenen Sekundärstrom bezeichnet. Der Widerstand 6 sei nun induktiver Natur und habe, bezogen auf die Primärwicklung, den Wert X_a' = 2 · xa, auf jede Hälfte der

■γ- /

Primärwicklung demnach den Wert x_a = ^- ·

Der Drosselstrom J₁ und der Kondensatorstrom J₂ errechnen sich demnach zu

Ji=-/-

^xa

#c — #a

Denn χ^" wirkt im Drosselkreis im gleichen Sinn wie- x_Dl im Kondensatorkreis dagegen

im entgegengesetzten Sinn wie x_c. Man erhält demnach für /3

/3 =

2 \Xl)-\- Xa' Xc — Xa
für Xg = X_c = X

E 2X .W.

2 Xⁱ Xa

^ X

W,

(8)
(.8 a)

Macht man hier x_a' klein gegenüber χ, d. h. die Blindleistung in der Drosselspule und im Kondensator groß gegenüber der Blindleistung im Widerstand X_a, so verschwindet in Gleichung (8 a) das Glied x_a'², und man erhält für den Strom den gleichen Ausdruck wie in Gleichung (4). Die Gleichung (8a) gibt den Absolutwert von /₃ an. Die Wirkung des Blindwiderstandes x_a auf den Primärkreis des Stromtransformators 4 geht ebenfalls aus Fig. 2 hervor. Der Strom J₁ im Drosselkreis geht vom Wert oc auf den Wert 0 C₁ zurück, im Kondensatorkreis steigt dagegen J₂ vom Wert 0 b auf den Wert 0 b_t an. J₃ ist demnach durch die Strecke b_x C₁ gegeben. Von der Netzspannung ο α entfällt dabei auf die rechte Hälfte der Primärwicklung die Spannung 0 a_L (eilt gegen J₁ um 90⁰ vor), so daß an der Drossel nur noch die Spannung a_tα liegt. Für die linke Hälfte der Primärwicklung hat die Klemmenspannung 0 a₂ die gleiche Größe wie Oa₁, dagegen entgegengesetzte Richtung, so daß am Kondensator die Spannung a₂ α liegt. Daraus erklärt sich die Zunahme des Kondensatorstromes und die Abnahme des Drosselstromes. Der Netzstrom ergibt sich als Summe der beiden Ströme J₁ + J₂, da J₂ größer als J₁ ist,· gibt die Anordnung nacheilende Blindleistung an das Netz ab, und zwar vom gleichen Betrag wie an den veränderlichen induktiven Widerstand 6. Hat dieser kapazitives Verhalten, so ist natürlich das Umgekehrte der Fall. Ist. der Widerstand Ohmscher Natur, so ergibt sich das Spannungs- und Stromdiagramm Fig. 3. Die Netzspannung £ sei wieder durch die Strecke oa dargestellt, der Drosselstrom/j hat jedoch nunmehr Größe und Richtung von od, ihm eilt die Spannung an der

Drossel etwa um 90⁰ voraus. Das Dreieck wird geschlossen durch die Spannung 0 c an der rechten Hälfte der Primärwicklung, die in Phase mit der Wirkkomponente 0 di des Stromes Z₁ ist, die dem Sekundärstrom entspricht, während die zweite Komponente d₁ d in Phase mit der Netzspannung ist. Die vom Netz dem Drosselkreis zugeführte Leistung entspricht dem Produkt oa^md_td, die von diesem an den Widerstand 6 abgegebene Leistung dem Produkt Oc-Od₁. Aus der Ähnlichkeit der beiden Dreiecke oac und d_±od läßt sich beweisen, daß beide Leistungen einander gleich sind. Ebenso findet man den Kondensatorstrom 0 e und seine beiden Komponenten 0 C₁ und e_x e, die Spannung b a am Kondensator und die Spannung 0 b an der linken Hälfte der Primärwicklung. Diese Größen ergeben sich als das Spiegelbild der "entsprechenden Größen für den Drosselkreis. Der Strom /₃ im Sekundärkreis entspricht der Strecke ^₁J₁, er ist nach Größe und Phase so geblieben wie bei dem Wert Null des veränderlichen Widerstandes 6; denn die Punkte d und e fallen mit ^₁ bzw. i?! wieder zusammen, wenn man den Widerstand 6 zu Null werden läßt. Zugleich fallen dann die Punkte c und b mit 0 zusammen. Mit Änderung des Ohmschen Widerstandes im Sekundärkreis des Stromtransformators bleibt demnach der Strom in diesem Kreis nach Größe und Phase erhalten, es ändern sich lediglich die Ströme in der PrimäVwicklung und die Spannungen an Drossel und Kondensator sowohl nach Größe wie nach Phase. Bei gemischter Natur des Widerstandes 6 (Ohmscher und induktiver usw.) stellt sich ein zwischen den beiden durch Fig. 2 und 3 gekennzeichneten Grenzfällen liegender Zustand ein. Wenn der Widerstand 6 rein Ohmscher Natur ist, ist es nicht erforderlich, daß der Drosselwiderstand x_D und der Kondensatorwiderstand x_c groß gegenüber dem auf den Primärkreis des Stromtransformators 4 bezogenen Widerstand 6 gleich R_a' sind. Sind alle gleich groß, dann geht das Dreieck abc (Fig. 3) in ein gleichseitiges Dreieck über, die beiden Ströme J₁ = od und J₂ = oe schließen dann einen Winkel von 120⁰ miteinander ein, und die Spannung an den Enden der Primärwicklung von 4 ist gleich der Netzspannung. Da die drei Spannungen Winkel von 6o° miteinander einschließen, kann man aus den richtig abgegriffenen Spannungen · ein Drehstromsystem bilden. Macht man x_D und x_c kleiner als R_a', so wird die Spannung an R_a' .sogar größer als die Netzspannung.

Fig. 4 zeigt das Schaltbild für die Anordnung nach der Erfindung. 11 bezeichnet eine Asynchronmaschine, die von einem Drehstromnetz 12 gespeist wird und durch die ständererregte Kommutatorhintermaschine 13 in der Drehzahl und im Leistungsfakor geregelt wird. Die Erregerwicklung 14 dieser Maschine führt stets die Schlupf frequenz und stellt einen mit dieser Frequenz veränderlichen Widerstand dar, der über den unkompensierten Kommutatorf requenzwandler 15 mit Strömen vorge-

Claims (5)

schriebener Größe und Phase erregt wird. Dies geschieht mittels des Drehzahltransformators 16 und des cos ^-Transformators .17, deren regelbare Primärwicklungen in Reihe geschaltet sind, während ihre parallel geschalteten Sekundärwicklungen die Schleifringe des Frequenzwandlers speisen. Die Primärwicklungen werden von der Sekundärwicklung des Stromtransformators 18 gespeist, dessen Primärwicklung in der Mitte einen Nullpunkt 19 hat. Das eine Ende ist über die Drosselspule 20, das andere über den Kondensator 21 an das Netz angeschlossen. Bezogen auf die Primärwicklung des Stromtransformator 18 stellt die Erregerwicklung 14 untersynchron vorwiegend einen induktiven, übersynchron einen vorwiegend kapazitiven veränderlichen Widerstand dar. Um daher den Sekundärstrom des Stromtransformators 18 praktisch konstant zu halten, macht man gemäß Gleichung (8 a) Drosselwiderstand gleich dem Kondensatorwiderstand und beide groß gegenüber dem auf die Primärwicklung des Transformators 18 bezogenen Erregerwiderstand. Unter dem Einfluß des Erregerwiderstandes macht sich sowohl unter- wie übersynchron eine geringe Zunahme des Sekundärstromes von 18 bemerkbar. Für gleiche an den Frequenzwandler abgegebene Leistung ist jedoch die Zunahme dieselbe, und die Primärwicklungen dieser Transformatoren sind unter- und übersynchron gleich gut ausgenutzt, so daß der eingangs erwähnte bei der bisherigen Schaltung auftretende Nachteil wegfällt. In bekannter Weise wird zur Kompensierung über den Isoliertransformator 22 und den regelbaren Kompoundtransformator 23 noch der Primärstrom der Hauptmaschine dem Frequenzwandler zugeführt. Statt den Kondensator und die Drosselspule an die gleiche Spannung anzuschließen, kann man sie auch mit verschiedenen Spannungen speisen. Man muß dann dafür sorgen, daß bei kurzgeschlossener Sekundärwicklung des Stromtransformators 4 bzw. 18 die Amperewindungen vom vom Kondensatorstrom wicklung gleich sind. Drösseistrom und der Primär- Patbntansprüche:

1. Anordnung zur Speisung der Schlupffrequenz führenden Erregerwicklung von in den Sekundärstromkreis von Asynchronmaschinen zwecks Drehzahlregelung eingeschalteten Kommutatorhintermaschinen mit Erregerstrom vorgeschriebener Größe und Phasenlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung unter Zwischenschaltung eines unkompensierten Kommutatorfrequenzwandlers von einer Könstantstromanordnung gespeist wird, die in an sich bekannter Weise einen Stromtransformator sowie einen Kondensator und eine Drosselspule im Primär- 6g kreis des Stromtransformators enthält.

2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung von Drosselspule und Kondensator ein Mehrfaches der Stromtransformatorleistung ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromtransformator regelbar ist, z. B. durch Anzapfungen auf der Primärseite.

4. Anordnung nach Anspruch"!:, bei der der Kommutatorhintermaschine außer dem Erregerstrom für die Drehzahlregelung noch ein Erregerstrom für die Phasenkompensierung und gegebenenfalls noch ein Erregerstrom für eine Drehzahlkompoundierung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Sekundärwicklung des Stromtransformators die Primärwicklungen von zwei oder mehr Stromtransformatoren in Reihe geschaltet sind, deren Sekundärwicklungen in Parallelschaltung die Schleifringe des Frequenzwandlers speisen (Fig. 4).

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem ersten Stromtransformator gespeisten Stromtransformatoren regelbar sind (Fig. 4)'.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen