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Anordnung zur Regelung von Schlupfkupplungen für elektrische Maschinen
Für die Energieübertragung aus dein normalen Drehstromnetz mit 5o Perioden ins Bahneinphasennetz
mit z. B. 16 2/s Perioden besteht ein Bedürfnis nach Umformern, welche eine relative
Verschiebung der beiderseitigen Periodenzahlen gestatten, wobei das Maß der Energieabgabe
einstellbar sein muß. Prinzipiell dasselbe Problem liegt vor, wenn keine Energieübertragung
sondern eine gemeinschaftliche Energieerzeugung von einer Kraftmaschine aus für
die beiden Netze erfolgen soll, z. B. durch eine Dampfturbine, die einen Drehstrom-
und einen Einphasengenerator gem'einschaftl'ich antreibt.
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Zur Lösung dieses Problems sind verschiedene elektrische Einrichtungen
angegeben worden, außerdem aber auch eine mechanische unter Benutzung der Föttingerschen
Schlupfkupplung. Dieselbe ist in dien Patentschriften 621 26z, 592 38ound572 658
näher beschrieben. Die natürliche Charakteristik der Abhängigkeit der Tourenzahl
der über eine Schlupflkupplung angetriebenen Maschine von der Last ist, falls die
antreibende Maschine eine feste Tourenzahl trat, eine gerade Linie, welche bei Leerlauf
einen Schlupf von etwa Null hat und bei Vollast einen solchen, der vorn der Bemessung
.der Kupplung abhängig i,st und von einem bis zu mehreren Prozent betragen mag.
Diese Charakteristik kann aus der Natur der Kupplung heraus durch Veränderung ihrer
Füllung in ihrer Neigung, d. h. Lastabhängigkeit verändert werden, so wie es die
dünn ausgezogene Kurvenschar auf der linken Seite der Abb. i andeutet.
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Diese Charakteristik entspricht nicht den Bedingungen, die an die
Energieabgabe in das Einphasennetz gestellt werden müssen. In der Regel werden noch
andere Kraftmaschinen auf das Einphasennetz arbeiten, z. B. Dampf- oder Wasserturbinen,
und
dieselben Ihaben eventuell auch unter sich verschiedene Charakteristiken, wie sie
auf der rechten Seite der Abb. i dargestellt sind. Die Charakteristik der mit Schlupfkupplung
versehenen Kraftmaschine oder Umformer muß also diesen Verhältnissen angepaßt werden.
Außerdem soll die Energieabgabe in das Einphasennetz möglichst unabhängig von Schwankungen
der Drehstromperiodenzahl bleiben. Offensichtlich kann man eine schwankende Drehstromperiodenzahl
für die Betrachtung einer umgekehrten Schwankung der Einphasenperiodenzahl gleichsetzen,
d. h. die Verhältnisse sind praktisch dieselben, wenn man von 49 Perioden auf 162/s
Perioden oder von 5o Petioden auf 17 Perioden umformen muß. Man kann sich also damit
begnügen, die Verhältnisse bei einer Senkung der Drehstromperiodenzahl so zu betrachten
wie eine Forderung auf Erhöhung der Einphasenfrequenz. Es sei hierbei ausdrücklich
darauf hingewiesen, daß eine solche Erhöhung nur in dem Maße möglich ist, als von
vornherein ein übermäßiger Schlupf bei normaler Frequenz auf beiden Seiten zugelassen
wird. Da dieses nicht in beliebigem Maße wegen der zunehmenden Verluste möglich-,ist,
ist in den oben genannten Patentschriften die Verwendung eines Doppelgetriebes mit
verschiedenen Übersetzungsverhältnissen vorgeschlagen,wobei jedesZahnräderpaar mit
einer eigenen Schlupfkupplung verbunden ist. Je nachdem die eine oder andere gefüllt
wird gilt das zugehörige Übersetzungsverhältnis als maßgebend, und es ist möglich,
auch weiter erhöhte Frequenzen auf der Einphasenseite zu erreichen oder Energieübertragungen
in der Richtung Einphasen- nach Drehstrom ohne übermäßige Verluste zu verwirklichen.
Für das hier behandelte Regelproblem entstehen durch die Doppelanordnung keine grundsätzlich
neuen Probleme, sondern es ist alles nur sinngemäß übertragen. Es wird daher der
Übersichtlichkeit halber im folgenden nur der Fall einer einfachen Kupplung und
der Energieübertragung nach einer Richtung behandelt.
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Betrachtet man die Abb. i, so sieht man, daß ein Parallelbetrieb mit
einer einigermaßen gleichmäßigen Verteilung der Belastungsschwankungen dann möglich
ist, wenn die Belastungscharakteristik der Schlupfkupplung so verändert wird, daß
sie sich den Charakteristiken der übrigen Kraftmaschinen in ihrer Neigung anpaßt.
Außerdem muß eine Veränderung der Höhenlage dieser Charakteristik im ganzen möglich
sein für den Fall, daß z. B. die Frequenz für das ganze Einphasennetz wegen überlastung
oder aus anderen Gründen gesenkt oder auch erhöht wird, wobei bei Erhöhung, wie
oben bemerkt, die aus der Bemessung der Kupplung gezogenen Grenzen nicht überschritten
werden können.
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In der Abb. i ist nun zunächst auf d'er linken Seite eine Kurve' a
eingetragen, welche in ihrer Neigung zwischen den beiden Kui#ven der Dampfturbine
und Wasserturbine auf der rechten Seite liegt. Im Falle dieser Einphasenfrequenz
läßt sich die Charakteristik bei der in der Figur angenominenen Bemessung der Kupplung
durch eine feste Füllung bei allen Belastungen erreichen. Dieses ist aber nicht
mehr der Fall, wenn die Frequenz der Einphasenseite heruntergeht, wie im unteren
Teil der rechten Figurseite angenommen. Hier muß die Kupplung in ihrer natürli4ien
Frequenzfage mit zunehmender Last gehoben werden, also nachdem die Kupplung für
kleine Belastungen weitgehend enleert worden ist, damit sie eine entsprechend verminderte
Frequenz abgibt, mit zunehmender Last wieder gefüllt werden. Die Kurve b auf der
linken Seite der Abbildung gibt den Verlauf an. Ein Fliehkraftregler oder ein frequenzabhängiges
Relais auf der Einphasenseite, welches bei abnehmender Frequenz die Kupplung wieder
füllt, würde die Aufgabe lösen. Die Füllung und Entleerung der Kupplung erfolgt
dabei in irgendeiner bekannten, Weise, z. B. mit einem Schöpfrohr, oder es wird
ein Ringschieber betätigt, wobei zu beachten ist, daß bei verschiedener Höhenlage
der Charakteristik die zu ihrer Einhaltung erforderliche Füllungsänderung nicht
dem gleichen Gesetz, folgt. Ein von der Frequenzhöhe abhängiger Korrekturimpuls
oder Einschaltung einer Kurvenscheibe o. dgl. 'kann notwendig werden.
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Um den Einfluß der Drelistromfrequenz, die ja die Leistung auf der
Einphasenseite nicht beeinflussen soll, zu eliminieren, wird ein von dieser Frequenz
abhängiger Impulsgeber (Fliehkraftregler oder Frequenzrelais) erforderlich, wie
auf Abb. 2 als Beispiel dargestellt isst. i ist der Einphasenfrequenzregler, 2 der
für Drehstrom, 3, 4, 5 Gelenkpunkte, 6 und 7 verschiebbare Gelenkpunkte, 8 das Steuerorgan
der Kupplung, 9 ein Solenoid und ro eine Muffe mit Doppelgewinde.
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Nehmen wir nun zunächst die Drehstromfrequenz als fest an, so kann
offensichtlich durch Verdrehen der Muffe io die relative Lage des Steuerorgans 8
zum Regler i und damit die Höhenlage der Charakteristik nach Abb. i verändert werden,
da z. B. einer Senkung von Punkt 4 eine Erhöhung von 3, also höhere Einphasenfrequenz
für gleiche Füllung und daher Leistung entspricht; die Veränderung, die dabei in
der Relation Füllungsvariation zu Lastvariation aus den natürlichen Eigenschaften
der Kupplung heraus erforderlich wird, kann beispielsweise durch Verschiebung der
Punkte 6 oder 7, wodurch die Relation Reglerweg zu Steuerorganweg verändert wird,
wiederum in Abhängigkeit von der Einohasenfrequenz erfolgen. Ändert sich nun die
Drehstromfrequenz nach unten, so geht die Leistung und ebenso Punkt 4 herunter,
was eine Vergrößerung der Füllung und einen Ausgleich nach sich zieht; auch 'hier
kann ein weiterer Ausgleich erforderlich werden, weil z. B. bei Dre'hstromfrequenz49
und gegebener Einphasenfrequenz die Kupplung mit anderen Füllungen arbeitet als
bei 5o Hz; dieses kann z. 13. durch Ver@dre'hung der Muffe io oder Verschieben des
Punktes 6 in Abhängigkeit von der Drehstromreglerstellung erreicht werden. Ob diese
Hilfseingriffe nötig sind, wird von der Höhe .der Belastungsstöße .und den gestellten
Anforderungen an ihre automatische Verteilung abhängen.
Mit vorstehenden
Maßnahmen ist die Höhenlage der C'hara'kteristik einstellbar und der Einfluß der
Drehstromfrequenz unwirksam gemacht; will man noch die Neigung der Charakteristik
verändern, so kann man dies durch andere Reglerfedern oder bei einem Frequenzrelais
rein elektrisch im Betriebe durch Nebenschluß oder Vorschaltwid'erstände oder Impedanzen
erreichen.
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Um zu vermeiden, daß bei Überlassung der Einphasengeneratorschalter
hinausgeworfen wird, kann man noch z. B. vom Maximalrelais her einen Impuls, z.
B. ein Solenoid 9 einschalten, welches ebenso auf eine Entleerung der Kupplung hinwirkt.
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Eine andere Methode geht dahin, durch Regelung vermittels ,der elektrischen
Größen jeder Frequenz auf der Einphasenseite eine gewisse Leistung zuzuordnen, d.
h. unmittelbar auf eine gegebene und außerdem einstellbare Charakteristik hinzusteuern.
Ändert sich nun die Drehstromfrequenz bei gegelietter Einphasenfrequenz, so würde
die Leistung z. 13. über das jeweilige Sollmaß ansteigen, worauf die Füllung nachgeregelt
wird. Als Impuls kann man zwei gegeneinander wirkende Meßsysteme, eins von der Eitiplliasenfrequetiz,
eins von der Leistung abhängig verwenden, die bei Störung des Gleichgewichts z.
B. durch das bewährte Fallbügelsystem einen in Ab'hängig'keit von der Abweichung
seitlich variablen elektrischen Impuls auf das Steuerorgan geben. Natürlich lassen
sich auch stärkere elektrische Kräfte, die unmittelbar auf das Organ wirken, verwenden.
Auch hier läßt sich die ohengenannte Einwirkung des Maximalrelais verwirklichen.
Die Einstellung von Höhe und Neigung der Charakteristik kann durch Veränderung elektrischer
Werte, z. B. durch Widerstände oder Nebenschluß, oder mechanische Gegenkräfte erfolgen.
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Selbstverständlich !können die beschriebenen Regeleinrichtungen mit
Rückführungen und allen anderen Verfeinerungen der Regeltechnik versehen werden.
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Ebenso können andere Regelverfahren, wie z. B. As'katiiastrzhlrolhr
oder Arcamembran, eingeschaltet werden. Zum Beispiel können im ersten Verfahren
die beiden Regler durch kleine Gebläse ersetzt werden, deren Drücke zweiseitig auf
Membranen wirken, welche zusammen mit Federn, Gegengewichten unter Einschaltung
von sogenannten Verhältnisschiebern auf ein Strahlrohr wirken, welches den Servomotor
mit mechanischer oder hydraulischer Rückführung für das Steuerorgan der Kupplung
beherrscht. Das gleiche gilt für das zweite Verfahren, wo die Frequenz unmittelbar
die Leistung über einen auf Watt umgebauten Strom-Druck-Wandler in Luftdruck verwandelt,
wobei die Drücke wie beschrieben wirken.
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Es ist selbstverständlich möglich, bei diesen prinzipiellen. Regelanordnungen
durch geeignete Impulse einen feststehenden Fahrplan, z. B. konstante Belastung
herbeizuführen und auch sonst alle Verfeinerungen anzubringen, die bei anderen Reglern
üblich sind, um z. B. eine gewisse Astasie oder Isodromie herbeizuführen.