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Elektrischer Regelantrieb mit Gleichstrommotoren Die Erfindung bezieht
sich auf elektrische Regelantriebe mit Gleichstrommotoren großer Leistung, und zwar
in erster Linie auf den Antrieb von Walzwerken, Fördermaschinen und unter ähnlichen
Bedingungen arbeitenden Einrichtungen. Aus Grüniden der Drehzahlregelung erfolgt
der Antrieb von Walzwerken und Fördermaschinen vorwiegend mit Gleichstrommotoren.
Da die elektrische Energie aus dem Netz jedoch im allgemeinen nur in Form von Drehstrom
zur Verfügung steht, muß eine Umformung des dem Netz entnommenen Drehstromes in
Gleichstrom vorgenommen werden. Hierzu bedient man sich in den meisten Fällen eines
aus Drehstrommotor und Gleichstromgenerator bestehenden umlaufenden Umformers, des
sogenannten Leonard-Umformers, der vielfach noch mit einem Schwungrad gekuppelt
wird und dann als Ilgner-Umformer bezeichnet wird. Das Schwungrad hat dabei den
Zweck, die beispielsweise mit Walzvorgang auf die Gleichstromantriebsmotoren ausgeübten
Belastungsstöße nicht oder nur stark gedämpft auf das speisende Drehstromnetz zu
übertragen. An sich erfüllt ein solcher Umformer hinsichtlich der Regelbarkeit,
der Blindleistungsbelastung des Drehstromnetzes und der Abdämpfung von Belastungsstößen
sehr
weitgehende Forderungen. Er hat jedoch den -Nachteil, daß er bei den hier in Frage
kommenden Leistungen sehr große Abmessungen annimmt, verhältnismäßig teuer ist und
sehr viel Raum für seine Aufstellung benötigt. Außerdem arbeitet beim '-orhandensein
eines solchen Umformers der ganze Antrieb mit einem verhältnismäßig schlechten Wirkungsgrad.
Der Grund für die großen Abmessungen liegt darin, daß man Gleichstrommaschinen für
derartige Leistungen, wie sie bei Walz--werken und Fördermaschinen benötigt werden,
nur mit einer Drehzahl von 25o bis 6oo U/min bauen kann. Meist kann man sogar die
gesamte Leistung nicht in einem einzigen Gleichstromgenerator unterbringen, sondern
muß den Umformer mit zwei oder sogar vier Gleichstromgeneratoren ausrüsten. Ergibt
somit schon die niedrige Drehzahl sehr große Abmessungen sämtlicher 'Maschinen,
so wird durch die -Notwendigkeit, mehrere Gleichstromgeneratoren vorzusehen, auch
noch die Baulänge des ganzen Umformersatzes stark vergrößert. Außerdem beeinflußt
die niedrige Drehzahl beim @-orhandensein eines Schwungrades mit Rücksicht auf eine
brauchbare Grunddrehzahl natürlich auch dessen Abmessungen sehr stark im ungünstigen
Sinne. Die hohen Verluste des Umformers sind ebenfalls auf das Vorhandensein der
Gleichstromgeneratoren zurückzuführen, da sich diese nur mit einem im Verhältnis
zur Dreltstrommaschine sehr geringen Wirkungsgrad wirtschaftlich ausführen lassen.
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Aus diesem Grund hat man bereits Antriebe der genannten Art gebaut,
bei denen die Umformung des Netzstromes in den für die Antriebsmotoren erforderlichen
Gleichstrom durch Stromrichter mit steuerbaren Gas- oder Dampfentladungsstrecken
erfolgt. Der Platzbedarf der Stromrichter ist wesentlich geringer als der eines
Leonard-Umformers. Andererseits erlauben die Stromrichter infolge ihrer Steuerbarkeit
eine sehr rasche und mit Reglern geringer Größe durchführbare Regelung der Antriebsdrehzahl.
Der Wirkungsgrad -wird gegenüber der. Benutzung eines Leonard- oder llgner-U mformers
ebenfalls wesentlich erhöht, zumal man die Antriebsmotoren ohne Schwierigkeiten
für Spannungen auslegen kann, für die der Spannungsabfall in den Entladungsstrecken
des Stromrichters keine allzugroße Rolle mehr spielt. Ein schw-erw-iegender Nachteil
der Stromrichterumformung besteht jedoch darin, daß sämtliche Belastungsstöße wegen
des Fehlens j eder Energiespeicherungsfähigkeit praktisch unvermindert auf das Drehstromnetz
übertragen werden. Es kommt dabei nicht so sehr auf die absolute Höhe der Belastungsstöße
an als vielmehr auf die Steilheit, mit der diese auftreten. Belastungsstöße machen
sich in dem Drehstromnetz dann sehr störend bemerkbar, wenn sie eine stoßweise Änderung
der dem -Netz entnommenen Blindleistung zur Folge haben, denn von dem Blindstrom
hängen ja die Spannangsabfälle in erster Linie ab. -Nun liegen aber in dieser Hinsicht
die \-erhältnisse bei der Energieutnformung durch Stromrichter aus folgenden Gründen
besonders ungünstig: Der Stromrichter belastet bekanntlich ohnehin das speisende
Drehstromn ütz bei Teilaussteuerung erheblich mit Blindleistung. Die höchsten relativen
Belastungsstöße treten aber meist gerade dann auf, wenn die Drehzahl der Antriebsmotoren
sehr niedrig ist. wenn also der Stromrichter sehr tief ausgesteuert ist und mit
einem besonders schlechten Leistungsfaktor arbeitet. So entsteht beispielsweise
hei Walzwerken ein hoher Belastungsstoß in dem Augenblick, in dem die Bramme von
den ersten Walzen gefaßt -wird. Das Einführen der Bramme in die Walzen erfolgt aber
bei stark herabgeregelter Drehzahl. Bei Verwendung eines Stromrichters wird somit
das Drehstromnetz in seiner Spannungshaltung erheblich beunruhigt. Es kommt hinzu,
daß der Stromrichter, insbesondere bei Teilaussteuerung. starke Oberwellenströme
aufnimmt, die sich in dem Drehstromnetz störend bemerkbar machen und insbesondere
in den speisenden Generatoren zusätzliche Verluste hervorrufen.
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Die Erfindung zeigt einen Ausweg aus diesen Schwierigkeiten, und zwar
-wird gemäß der Erfindung ein aus einem Asynchron- oder Synchronmotor und einem
Synchrongenerator bestehender Umformer vorgesehen, dessen Motor aus dem Drehstromnetz
gespeist -wird und dessen Synchrongenerator über einen Stromrichter die Gleichstromantriebsmotoren
speist.
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Es ist bereits eine in ihrem äußeren Aufbau ähnliche Anordnung bekannt.
beider zwischen den Generatorteil eines Asynchron-Svnchronllotorgenerators und einen
Drehstrommotor ein als Frequenzumformer ausgebildeter Stromrichter geschaltet ist.
Dieser Stromrichter hat die Aufgabe, eine Drehzahlregelung des Drehstrommotors zu
ermöglichen, was anders nicht durchführbar wäre, weil weder der Drehstrommotor noch
die von dem 'Motorgenerator abgegebene Frequenz regelbar ist. Bei der bekannten
Anordnung wird durch das Hinzukommen des Frequenzumformers der Charakter des 'Motorgenerators
als Drehstrom-Drehstrom-Umformer in keiner `'eise beeinflußt. Demgegenüber hat bei
der Erfindung der dem anzutreibenden Gleichstrommotor vorgeschaltete Stromrichter
die Wirkung, daß an die Stelle des sonst notwendigen Gleichstromteils des 'Motorgenerators
ein Drehstromteil treten kann.
Bezüglich der hierdurch erreichten
Vorteile ist folgendes zu sagen: Was zunächst die Frage der Stoßdämpfung anbetrifft,
so steht in dieser Hinsicht der erfindungsgemäße Antrieb völlig dem bisher bekannten
Antrieb mit Leonard-oder 11gner-Umformern gleich. Es wird die Energiespeicherfähigkeitdes
umlaufenden Umformers ausgenutzt, wobei dieser ebenfalls mit einem Schwungrad ausgerüstet
werden kann. Der umlaufende Umformer erhält jedoch ganz wesentlich kleinere Abmessungen,
als dies bei den bisher bekannten Anlagen der Fall war. Er besteht ja nur noch aus
Drehstrommaschinen und läßt sich infolgedessen für sehr hohe Drehzahlen, beispielsweise
für i5oo oder 3000 U/min auslegen. Damit schrumpfen die Abmessungen der einzelnen
Maschinen stark zusammen, und auch das etwa vorhandene Schwungrad wird wesentlich
kleiner. Es ist nicht mehr erforderlich, die Leistung der Generatoren in mehrere
Einzelmaschinen zu unterteilen, da Synchrongeneratoren für beliebige Leistung gebaut
werden können. Zusätzlich können die Maschinenabmessungen noch dadurch herabgesetzt
werden, daß Wasserstoffkühlung verwendet wird, was bei Gleichstrommaschinen ebenfalls
praktisch nicht möglich wäre. Es tritt also eine außerordentlich starke Herabsetzung
nicht nur des Platzbedarfs, sondern vor allem auch des Preises des umlaufenden Umformers
ein. Dabei ist zu beachten, daß der Preis für Synchronmaschinen ohnehin schon sehr
viel geringer ist als der für gleich große Gleichstrommaschinen, insbesondere wenn
man bei diesen etwa eine Unterteilung der Leistung in mehrere Einzelmaschinen vornehmen
muß. In preislicher Hinsicht wird also der Aufwand, der durch das Hinzutreten des
Stromrichters verursacht wird, durch die Verbilligung des Umformers ganz oder wenigstens
zum größeren Teil gedeckt. Im Vergleich mit der reinen Stromrichterumformung muß
man sich hierbei wieder vor Augen halten, daß von den Gesamtkosten eines Stromrichters
etwa q.o bis 50°/o auf den Transformator entfallen, der bei dem erfindungsgemäßen
Antrieb jedoch nicht vorhanden zu sein braucht. Man wird vielmehr den Stromrichter
unmittelbar an die Ständerwicklung des Synchrongenerators anschließen, wobei zwecks
Vermeidung von Zusatzverlusten und sonstiger störender Einflüsse der Oberwellen
diese Wicklung mit sechs oder noch mehr Phasen ausgeführt werden kann.
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Die Blindleistungsbelastung des Synchrongenerators durch den Stromrichter
kann weitestgehend dadurch herabgesetzt werden, daß man die Ständerwicklungen des
Generators mit Anzapfungen versieht oder umschaltbar macht. Die Herabregelung-der
Antriebsmotoren kann dann in groben Stufen durch Herabsetzen der Wicklungsspannung
erfolgen, so daß die Aussteuerung des Stromrichters auch in den tiefsten Regelstufen
nur wenig gegenüber der vollen Aussteuerung vermindert zu werden braucht. Der Stromrichter
arbeitet dann ständig mit einem verhältnismäßig guten Leistungsfaktor. Das Drehstromnetz
braucht überhaupt nicht mit Blindstrom belastet zu werden, da der Umformermotor,
sei es durch Gleichstromerregung oder mit Hilfe einer besonderen Drehstromerregermaschine,
ohne weiteres ständig auf cos cp=i geregelt Eierden kann.
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Besonders günstig gestaltet sich der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen
Antriebs, da der umlaufende Umformer nur Drehstrommaschinen enthält, die bekanntlich
mit sehr 'geringen Verlusten arbeiten. Der Einfluß des Stromrichters auf den Wirkungsgrad
ist nur gering *. und verschwindet fast vollständig, wenn der Stromrichter als Kontaktstromrichter
ausgebildet wird, der mit mechanisch bewegten Schaltkontakten arbeitet, denen Schaltdrosseln
vorgeschaltet sind. Unter Schaltdrosseln sind dabei Drosselspulen mit einem Spezialkern
zu verstehen, die bereits bei einem ganz geringen Strom ihren Sättigungswert erreichen.
und die infolge der scharf geknickten magnetischen Kennlinie unterhalb des Sättigungswertes
eine sehr große, oberhalb der Sättigungskennlinie dagegen. fast gar keine Induktivität
haben. Der Spannungsabfall an einem solchen Kontaktstromrichter ist verschwindend
gering. Der Kontaktstromrichter hat aber auch noch den weiteren Vorteil eines äußerst
geringen Platzbedarfs. Der Antrieb der Kontakte kann mit dem Umformer selbst gekuppelt
werden; man kann aber auch einen: besonderen Antriebsmotor hierfür vorsehen, was
den Vorteil hat, daß nur der Kontaktstromrichter in einem besonderen verschmutzungsfreien:
Raum aufgestellt zu werden braucht, während der Au.fstellnngsort der in dieser Hinsicht
sehr unempfindlichen Umformermaschinen beliebig sein kann. Auch das ist ein wesentlicher
Vorteil gegenüber dem bisher verwendeten Leonard- oder Ilgner-Umformer. Diese Vorteile
hinsichtlich der Aufstellungsmöglichkeiten gelten sinngemäß auch bei der Verwendung
eines Strolmrichtems mit Entladungsstrecken. Soll ein Stro-mrichte:r mit Entladungsstrecken
verwendet werden, so ist es vorteilhaft, diesen aus einanodigen. Entladungsgefäßen
mit Initialsteuerung durch Tauchzündelektroden aufzubauen.
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Falls eine elekhrische@ Bremsung des Antriebs erwünscht ist, kann
man den Stromrichter für Rückarbeiten einrichten. Beim Stromrichter mit Entladungsstrecken
kann
dies in bekannter Weise entweder dadurch geschehen, daß der
Stromrichter im Gleichstromkreis umschaltbar gemacht wird, oder daß von vornherein
zwei Stromrichter vorgesehen «erden, von denen ständig einer als Gleichrichter,
der andere als «'echselrichtet ausgesteuert wird. Beim hontaktstromrichter ist eine
solche gleichstromseitige Umschaltung nicht notwendig, sondern es genügt beim Übergang
zum Bremsen ein Wechsel in der Kontaktsteuerung, da ja die Stromrichterkontakte
in beiden Richtungen Strom zu führen imstande sind. Vorteilhaft und angesichts des
an sich sehr geringen Aufwandes für die Kontakteinrichtung, auch den Gesamtpreis
nicht nennenswert beeinflussend, ist jedoch die Verwendung eines Kontaktdoppelumformers,
bei dem, ähnlich wie vorher bezüglich der Entladungsstrecken erwähnt. zweit Kontaktgruppen
vorhanden sind, von denen stets eine für Gleichrichter, die andere für Wechselrichterbetrieb
ausgesteuert wird. Dabei wird die Steuerung so gewählt, daß ständig ein innerer
Kreisstrom fließt, daß sich also mit anderen Worten die Kennlinien der beiden Umformerhälften
bei einem bestimmten Stromwert schneiden. Dieser Punkt. bei dein der gesamte über
die Kontakte fließende Strom lediglich ein innerer Kreisstrom ist. ist dann gleichzeitig
der Leerlaufpunkt. bezogen auf die äußere Belastung.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Der Umformer besteht hier aus einem Asynchronmoto.r 2 und einem Synchrongenerator
.i, auf deren Welle außerdem noch ein Schwungrad 3 angeordnet ist. Der Asvnchronmotor
a wird aus dem Drehstromnetz i gespeist. Mit ä sind Schlupfwiderstände angedeutet,
die gleichzeitig auch zum Anlassen dienen können. Wie schon erwähnt. kann die Erregung
des Asynchronniotors 2 auch durch eine Drehstrotnerregermaschine erfolgen. Der Synchrongenerator
.i wird aus einer auf der gleichen Welle sitzenden Gleiclistromerregermaschine 6
erregt. In vielen Fällen dürfte es allerdings zweckmäßig sein, die Erregung des
Synchrongenerators au: dem Drehstromnetz unter Zwischenschaltung von Gleichrichtern
vorzunehmen. Mit dem Erregerstrom kann ebenfalls die Spannung für die Antriebsmotoren
geregelt «-erden. Der Ständer der Syricliraninascliine .i ist sechsphasig gewickelt,
und die sechs Phasenenden sind über Schaltdrosseln 7 an die Stromrichterkontakte
8 angeschlossen. Die Stromrichterkontakte werden in zyklischer Reihenfolge mit zeitlicher
Überlappung betätigt. Hierzu kann beispielsweise eine -Nockenwelle dienen. die von
dein Synchrontnotor9 angetrieben wird. Um Synchronismus zwischen den Ständerspannungen
der Synclironinaschirre .i und der Kontaktbewegung des Kontaktstromrichters zu erzielen,
erfolgt die Speisung des Antriebsmotors aus der Ständerwicklung der Synchronmaschine
:I. Ein dem Synchronmotor 9 vorgeschalteter Drehregler i i gestattet es. die Schaltzeitpunkte
der Kontakte 8 innerhalb der Wechselspannungsperiode zu verschieben und auf diese
Weise den Aussteuerungsgrad des Stromrichters zu ändern. Die Zuführung zu dem Antriebsmotor
io ist über eine Hauptstromwicklung der Erregerwickhing 6 geleitet, so daß eine
Kom-1>oundierting des Sv-nclirongenerators4 auftritt.
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Bezüglich der Schaltung des Stromrichters ist zu bemerken. daß auch
eine Graetzschaltung der Kontakte von Vorteil sein kann. Man spart dann unter Umständen
Schaltdrosseln, da für je zwei Kontakte immer nur eine Schaltdrossel vorgesehen
zu werden braucht. Die Spannungsregelung an den Antriebsmotoren io kann, wie schon
erwähnt, ent-«eder durch Regelung der Erregung der Synclironmascliinen .i. durch
Steuerungsänderung des Stromrichters und durch Umschaltung der Ständerwickhing der
Synchron-*nasc@ine .i erfolgen. Benn Kontaktstromrichter finit Schaltdrossel kann
die Aussteuerung außer durch eine Verlegung der Schaltzeitpunkte auch noch dadurch
geändert werden, daß di.e Schaltdrosseln veränderlich vormagnetisiert werden.