-
Verfahren zur Geschwindigkeitsregelung bei Asynchronmaschinen Es ist
bekannt, die Geschwindigkeit einer Asynchronmaschine dadurch Zu regeln, daß eine
der Wicklungen der Maschine an ein Wech.sel-stromneti unmittelbar angeschlossen
ist, während die andere Wicklung mit demselben Netz über einen Frequenzumrichter
verbunden ist, der mittels Gitter oder in damit gleichwertiger Weise gesteuert wird.
Diese einfache Anordnung wirkt jedoch nahe dem Synchronismus nicht befriedigend,
da die Spannung auf der letztgenannten Wicklung der Maschine dann im Verhältnis
zur Spannung beim Stillstand sehr niedrig ist. Dies macht eine Veränderung der Aussteuerung-des
Umrichters innerhalb sehr weiter Grenzen nötig, was schwierig herbeizuführen ist.
Hierzu trägt auch bei, daß die meisten Gittersteuerungen, besonders der selbsttätig
regelbaren Art, bei niedrigen Frequenzen nicht gut arbeiten.
-
Es ist auch bekannt, die Drehzahl einer Asynchronmaschine dadurch
zu regeln, daß man einen Gleichrichter einen rotierenden Umformer oder gegebenenfalls
einen Wechselrichter speisen läßt, wobei der Gleichrichter in einem untersynchronen
Bereichen den Sekundärklemmen der Asynchronmaschine, die Wechselstromseite des Umformers
bzw. Wechselrichters am Netz liegt, während bei Übersynchronismus diese Anschlüsse
umgetauscht werden. In der Nähe des Synchronismus wird hier der Gleichrichter gegebenenfalls-
kurzgeschlossen, und man läßt den Umformer als Periodenumformer arbeiten, weil ein
rotierender Umformer bei niedrigen Periodenzahlen an den Bürsten ziemlich gut als
Periodenumformer arbeitet.
-
Die vorliegende Erfindung geht, wie erwähnt, von der Erkenntnis aus,
daß ein gittergesteuerter Frequenzumrichter bei niedrigen Frequenzen auf der einen
oder. anderen Seite nicht gut arbeitet. Gemäß der Erfindung, die sich auf eine Asyrichronmaschine
bezieht, deren eine Wicklung entweder an das Netz angeschlossen oder gegebenenfalls
über eine Gleichstromquelle kurzgeschlossen
ist, während die andere
Wicklung mit dem Netz über einen Frequenzumrichter verbunden ist, wird deshalb das
Arbeiten bei nie=" drigen Frequenzen dadurch vermieden, daß die erstgenannte Wicklung
vom Netz - zum Kurzschluß oder zum Netz mit umgekehrte Phasenfolge bei solchen Geschwindigkeitswerten
umgeschaltet wird, daß der Strom in der mit dem Umrichter verbundenen Wicklung bei
allen Arbeitsgeschwindigkeiten der Maschine mindestens ein Viertel der Netzfrequenz
hat.
-
In der Zeichnung ist eine Anordnung zur Ausführung der Erfindung schematisch
dargestellt.
-
An ein Drehstromnetz i ist eine Wicklung 5 einer Asynchronmaschine
7 über den Umschalter 2 angeschlossen. An dem Netz liegt weiter ein Frequenzumrichter,
der als eine Verbindung zweier gittergesteuerter Stromrichter dargestellt ist. Der
eine Stromrichter umfaßt einen Drehstromtransformator, dessen eine Wicklung i i
an das Netz i angeschlossen ist, und ein Venti18, dessen Anoden mit der anderen
Wicklung 1-2 des Transformators verbunden sind. Der Nullpunkt der Wicklung 12 ist
über eine Drosselspule 16 mit der Kathode des Ventils g des anderen Stromrichters
verbunden. Das Ventil 8 ist mit Gittern versehen, die bei Wechselrichtung für Sperrung
nötig sind, aber nicht notwendig für Spannungsregelung benutzt zu werden brauchen.
Der Transformator des anderen Stromrichters hat eine Wicklung 13, mit der die Wicklung
6 der Asy nchronmaschine 7 verbunden ist. während die zweite Wicklung 14 desselben
Transformators mit den Anoden des Ventils g und sein Nullpunkt mit der Kathode des
Ventils 8 verbunden ist. Eine bei iö schematisch dargestellte Gittersteuervorrichtung
regelt die Aussteuerung des Ventils 9.
-
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird die Geschwindigkeit
der Maschine 7 vom Stillstand bis zu einem gewissen untersynchronen Wert, beispielsweise
bis zur halben synchronen Geschwindigkeit, in folgender Weise geregelt. Durch den
Umschalter 2 wird die Wicklung 5 an das Netz i angeschlossen, das also diese Wicklung
mit normaler Spannung und normaler Frequenz speist. Ein Teil der dein Netz entnommenen
Leistung wird in mechanische Leistung überführt, während die übrige an das Netz
über die Wicklung 6 und den Umrichter zurückkehrt. Einer Erhöhung der Geschwindigkeit
der Maschine 7 entspricht eine Erniedrigung der Frequenz. in der Maschinenwicklung
6 und den Transformatorwicklunen b 13, 14-Die Gitterfrequenz des Ventils g muß der
letztgenanten Frequenz gleich sein, und zii diesem Zweck ist es empfehlenswert,
die Gitterspannung unmittelbar oder mittelbar aus -dem Stromkreis 6 bis 13 herzuleiten
und die Thase oder eine andere den Zündpunkt der "Ventile beeinflussende Größe der
Gitterspan-Jung zur Erfüllung eines gewissen Programms, beispielsweise zur Konstanthaltung
des Stromes, durch an und für sich bekannte Mittel zu regeln. Gegebenenfalls. und
zwar besonders falls die Belastung eine geringe Trägheit besitzt, kann es möglich
sein, die Gitterfrequenz von außen zu steuern und die Maschinengeschwindigkeit dazu
zwingen, der Gittersteuerung zu folgen.
-
Wenn die Frequenz in der Wicklung von der Netzfrequenz ab allmählich
erniedrigt «-orden ist, beispielsweise bis zur Hälfte der Netzfrequenz, ist die
Geschwindigkeit der Maschine 7 bis auf den halben synchronen Wert gewachsen. Um
die Geschwindigkeit weiter zu erhöhen, unterbricht man in dieser Ausführungsform
die unmittelbare Verbindung der Maschine mit dem Netz durch den Umschalter -2 und
verbindet anstatt dessen die Wicklung 5 mit einer Gleiclistroinquelle. die als eine
Batterie 3 angedeutet ist, oder schließt sie kurz, wobei man gleichzeitig die Phasenfolge
in der Wicklung 6 der Maschine durch die Gittersteuerung umkehrt. Eine Anordnung
zur Erzielung der Gleichzeitigkeit in dieser Hinsicht ist in der Zeichnung schematisch
als eine mechanische Verbindung 4 zwischen dem Umschalter = und der Gittersteuervorrichtung
io dargestellt. Die Maschinenwicklung 6 wird jetzt vorn Netz über den Umrichter
gespeist, und die Maschine arbeitet in Synchronismus mit der also aufgedrückten
Frequenz, falls die Wicklung 5 mit Gleichstrom gespeist wird, bzw. nahe Synchronismus,
falls diese Wicklung kurzgeschlossen ist. Durch eine Erhöhung der Gitterfrequenz
kann man also die Maschinengeschwindigkeit auf jeden gewünschten Wert erhöhen. In
der Praxis wird diese Geschwindigkeit nach oben rin allgemeinen von den Eigenschaften
des Umrichters begrenzt, indem die Frequenz und die Spannung des von ihm gelieferten
Wechselstroines gewisse Werte zweckmäßig nicht überschreiten können. Als einen geeigneten
Grenzwert kann man 1501o der svnchronen Geschwindigkeit nennen, welche Geschwindigkeit
erreicht wird, wenn die Frequenz der auf die Wicklung 6 aufgedrückten Spannung 150"1(,
der Netzfrequenz beträgt, falle die Wicklung 5 mit Gleichstrom gespeist wird.' Um
die Geschwindigkeit weiter bis auf 211.mal der synchronen Geschwindigkeit zii erhöhen,
verbindet man die Wicklung 5 aufs neue unmittelbar mit dein Netz i über den Unischalter
2, während die Wicklung 6
immer über den Umrichter gespeist wird.
Gleichzeitig mit der Umschaltung muß die vom Umrichter gelieferte Frequenz von dem
ebengenannten übersynchronen Wert bis zur Hälfte der Netzfrequenz erniedrigt werden,
und. sie kann darauf wieder allmählich auf einen geeigneten Wert erhöht werden,
beispielsweise auf t 5o % der Netzfrequenz, was eine Maschinengeschwindigkeit
von 25o ojo der synchronen Geschwindigkeit ergibt.
-
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Maschine
beim Anlauf in vorher beschriebener Weise, aber mit umgekehrter Phasenfolge eingeschaltet,
und die vom Umrichter. bezogene Frequenz wird von der Netzfrequenz ab erhöht anstatt
wie im früher beschriebenen Falle erniedrigt. Die Geschwindigkeit der Maschine entspricht
hierbei der Frequenz in der Wicklung 6 abzüglich der in der Wicklung 5 herrschenden
Netzfrequenz, wobei die letztgenannte Wicklung an das Netz Leistung liefert, wenn
die Maschine als Motor arbeitet. Wenn die Frequenz in der Wicklung 6 einen gewissen
geeigneten Wert erreicht, wird die Wicklung 5 kurzgeschlossen oder gleichstromgespeist,
und gleichzeitig wird die Frequenz in der Wicklung 6 in entsprechendem Maße erniedrigt,
um eine plötzliche Geschwindigkeitsänderung zu vermeiden. Darauf wird die Frequenz
in der Wicklung 6 wieder erhöht. Die Umschaltung der Wicklung 5 kann beispielsweise
bei Synchronismus vorgenommen werden, und die Geschwindigkeit kann darauf auf zweimal
die synchrone Geschwindigkeit oder mehr erhöht werden.
-
Anstatt die Wicklung 5 kurzzuschließen oder durch Gleichstrom zu speisen,
kann man sie bei gewisser übersynchroner Geschwindigkeit mit umgekehrter Phasenfolge
an das Netz anschließen, so daß die Geschwindigkeit der- Maschine der Summe der
Frequenzen in den Wicklungen 5 und 6 entsprechen wird.. Falls beispielsweise diese
Umschaltung auf umgekehrte Phasenfolge bei dreimal der normalen Frequenz in der
Wicklung 6 stattfindet, und falls dieselbe Frequenz in dieser Wicklung nach der
Umschaltung erreicht wird, beträgt die Höchstgeschwindigkeit der Maschine das Vierfache
der synchronen Geschwindigkeit. Das Verhältnis zwischen der höchsten und der niedrigsten
Frequenz des Stromrichters g beträgt dann wie in der. zuerst beschriebenen Ausführungsform
3.
-
Im allgemeinen ist es am einfachsten, den Stromrichter 8 mit hauptsächlich
konstantem Verhältnis zwischen Gleichspannung und Wechselspannung arbeiten zu lassen,
beispielsweise beim höchsten zulässigen Wert dieses Verhältnisses, wodurch der dem
Netz entnommene oder an das Netz abgegebene Strom einen hohen Leistungsfaktor erhält.
Die ganze Spannungsregelung durch Gittersteuerung soll also im Ventil g stattfinden.
Da letzteres also bei konstanter Gleichspannung arbeitet, wird seine maximale Wechselspannung
einem Minimum des Leistungsfaktors entsprechen. Um diesen Umstand zu kompensieren,
können Kondensatoren 15
parallel zur Maschinenwicklung 6, beispielsweise in
Dreieck zwischen deren Klemmen liegen, wie die Zeichnung darstellt. Die von diesen
Kondensatoren gelieferte Blindleistung wird proportional der Frequenz und dem Quadrat
der Spannung, und da die Spannung der Frequenz praktisch proportional ist, wird
die kompensierende Wirkung der Kondensatoren hauptsächlich proportional der dritten
Potenz der Spannung und also hoch, wenn das Bedürfnis einer derartigen Kompensierung
aus oben angegebenen Gründen groß ist.
-
In gewissen Fällen sieht man zweckmäßig auch eine Spannungsregelung
im Ventil 8 vor, wodurch ein höherer Mittelwert des Leistungsfaktors im ganzen umrichtenden
System erreicht werden kann, besonders falls die Maschine vorzugsweise innerhalb
gewisser Geschwindigkeitsgrenzen arbeitet.
-
Allgemein gesehen; hat man wenigstens vier verschiedene Möglichkeiten
zur Verbesserung des Leistungsfaktors, nämlich eine erzwungene Kommutierung beider
.Ventile, die Kondensatoren 15 und die Gleichstromerregung durch die Stromquelle
3. Alle diese Mittel können jedes für sich oder. in Verbindung verwendet werden,
um die Anordnung unter den günstigsten Bedingungen arbeiten zu lassen.
-
Falls Kondensatoren verwendet werden, können sie zweckmäßig mit Seriendrosselspulen
versehen werden, um stärkere Oberwellen zu unterdrücken.
-
In jedem der beschriebenen Fälle kann die Maschine als Motor oder
als Generator entsprechend der Energierichtung arbeiten. Die Gittersteuerung kann
in diesem Falle nach Umschaltung der Spannung im Gleichstromkreis zwischen den Ventilen
geändert werden. Die dargestellte Einwegschaltung der letzteren mit einem anderen
Transformator kann durch die wahlbekannte Zweiwegschaltung (Graetzschaltung) ersetzt
werden, bei der kein derartiger Transformator erforderlich ist.
-
Unter einer unmittelbaren Verbindung zwischen der Maschine und dem
Netz wird in dieser Beschreibung eine Verbindung ohne Frequenzumrichtung verstanden,
die jedoch einen Transformator oder eine dritte Wick-@ lung des Transformators 11,
12 enthalten kann.
Die auf die Stromrichterv entile aufgedrückte
Spannung soll im allgemeinen möglichst hoch gehalten werden, um die prozentualen
Verluste zu vermindern. Falls eine Zweiwegschaltung verwendet und eine hohe Spannung
einer der Maschinenwicklungen aufgedrückt wird, soll diese Wicklung vorzugsweise
die Ständerwicklung sein.
-
Die Maschine und der damit verbundene Teil des F.requenzumrichters
kann auch eine andere Phasenzahl als das Netz besitzen, beispielsweise zwei oder
vier Phasen, was eine einfachere Schaltung des Umrichters gibt, besonders falls
letztere direkt ohne Gleichstromzwischenkreis arbeitet. Die an das Netz angeschlossene
Maschinenwicklung soll in diesem Falle über einen Transformator mit Scottschaltung
oder damit gleichwertiger Schaltung angeschlossen sein.