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Anordnung zur Energieübertragung über weite Entfernungen mittels Drehstromasynchronmaschinen
Bei der Übertragung elektrischer Energie über weite Entfernungen gewinnt neuerdings
die Asynchronmaschine Bedeutung, weil sie es ermöglicht, bei entsprechender Erregung
vom Läufer her die Übertragung mit einer Leitung ohne Kompensationsmittel, ohne
Stützpunkte usw. vollkommen kippsicher und ohne unzulässige Spannungsänderung bei
den verschiedensten Belastungen vorzunehmen. Damit nun die Spannung auf der Leitung
bei verschiedenen Belastungszuständen die zulässige Abweichung nicht überschreitet
und auch zur Wahrung der Kippsicherheit muB die Erregung der Asynchronmaschine durch
einen Regelvorgang dem jeweiligen Belastungszustand angepaBt werden, da die Kennlinien
der erregten Asynchronmaschine im allgemeinen nicht den Verlauf haben, den sie für
diesen Zweck haben sollen. Im Idealfall wäre es aber erwünscht, daß die Abhängigkeit
der Blindleistung von der Wirkleistung bei der Asynchronmaschine ohne Regeleingriff
den gleichen Verlauf zeigt wie bei der Fernleitung. Doch ist dies mit den bekanntgewordenen
Schaltungen nicht oder nur in grober Annäherung möglich. In Fig. i ist z. B. die
Energieübertragung zwischen zwei Netzen i und 2 angedeutet, die durch eine lange
Fernleitung, z. B. von iooo km, miteinander verbunden sind. Die Leitung ist mit
Reiheninduktivitäten q. und Parallelkapazitäten 5 behaftet, das Netz i wird von
Asynchrongeneratoren 6 gespeist. Wenn sowohl die Spannung Ui im Netz als auch die
Spannung U2 konstant bleiben sollen, dann müssen die Ströme J1 und J2 am Anfang
bzw. am Ende der Leitung gegenüber den Spannungen Ui und UZ bei verschiedenen
Belastungen
den durch die Ortskreise der Fig. 2 dargestellten Verlauf aufweisen. Bei Leerlauf
müssen sich demnach im Fall der iooo-km-Fernleitung sowohl das Netz i als auch das
Netz 2 wie eine Drosselspule verhalten und etwa 6o °/a der natürlichen Leistung
der Leitung als Blindleistung aufnehmen. Mit zunehmender Belastung wird die Blindleistungsaufnahme
geringer, um schließlich bei der natürlichen Leistung (J, = J2 = i) zu verschwinden.
Bei weiterer Zunahme der Belastung müssen beide Netze Blindleistung liefern. Wenn
Wirk- und Blindleistung am Anfang und Ende diesen Verlauf haben, bleibt die Spannung
am Anfang und Ende bei allen Belastungen konstant, auf der Leitung selbst dagegen
nur bei Belastung mit der natürlichen Leistung. Bei Leerlauf erfährt sie dagegen
eine Zunahme von etwa 15 °/o, ein Wert, den man ohne weiteres zulassen kann. Die
Steuerung der Blindleistung im Netz 2 kann durch die dort eingesetzten Blindleistungsmaschinen,
Drosselspulen usw. erfolgen. Die richtige Zuordnung von Wirk- und Blindleistung
im Netz i soll dagegen in den dieses Netz speisenden Generatoren selbst erfolgen,
um zusätzliche Blindleistüngserzeuger bzw. -verbraucher entbehren zu können. Betrachtet
man nun die Ortskreise des Stromes, so stellt man fest, daß der Mittelpunkt links
vom Ursprung (im zweiten oder dritten Quadranten) liegt, bei der unerregten und
bei der auf die übliche Weise erregten Asynchronmaschine liegt er dagegen durchweg
rechts (im ersten oder vierten Quadranten). Man kann daher die mit den üblichen
Schaltungen und ohne Regelung erzielbaren Ortskreise des Stromes dem Sollkreis der
Fig. 2 nur mehr oder weniger auf einem bestimmten Kreisabschnitt nähern (vgl. z.
B. den gestrichelten Kreis in Fig. 2), die übrigen Kreisabschnitte streben dagegen
völlig auseinander. Das richtige Verhalten muß dann durch zusätzliche Regelung erzwungen
werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht nun den von der Leitung geforderten
Ortskreis des ihr zugelieferten Stromes selbsttätig einzuhalten, so daß bei allen
Belastungen die zur Einhaltung eines bestimmten Spannungsverhältnisses Ui/U2 und
zur Wahrung der Kippsicherheit erforderlichen Blindleistungen stets richtig zu-
oder abgeführt werden.
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Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, daß die Erregung jeder Asynchronmaschine
im Kraftwerk durch einen vom Ständerstrom der Asynchronmaschine gespeisten und fremd
angetriebenen asynchronen Einankerumformer (Stromwenderfrequenzwandler) allein oder
zusätzlich bestimmt wird. Die Asynchronmaschine bekommt dadurch synchrones Verhalten,
und ihr Ständerstrom beschreibt eine Ortskurve der gewünschten Form. Dies soll an
Hand der Grundschaltung nach Fig. 3 und des Zeigerbildes nach Fig.4 näher erläutert
werden. In Fig.3 bezeichnet 6 eine Asynchronmaschine im Kraftwerk, die auch das
Netz i speist und von einer Kraftmaschine 7 angetrieben wird. Sie wird über den
von einem besonderen Motor fremdangetriebenen Frequenzwandler g mit dem lastabhängigen
Ständerstrom Ki, J, bzw. J, I erregt, der über den Stromwandler io zugeführt wird.
Außerdem wird in Parallelschaltung über die Drosselspule ii, den Stromwandler 12
und den mit der Asynchronmaschine unmittelbar gekuppelten Frequenzwandler i3 noch
der Läuferstromanteil J2 B überlagert, der bei Vernachlässigung des Frequenzwandlererregerstromes
dem Drosselstrom JD entspricht. Es handelt sich daher um eine sog. Stromschaltung,
die den Läuferstrom J2 durch die Größe der Drosselspule bzw. der Asynchronmaschine
erzwingt. Die Phasenlage des Stroms J2 B wird nun so eingestellt, daß sich die Asynchronmaschine
bei Leerlauf wie eine Drosselspule verhält, d. h. der Frequenzwandler 13 vergrößert
die bei Leerlauf aufgenommene Blindleistung über den Eigenbedarf hinaus bis zu dem
gewünschten Betrag. Wenn man den Luftspalt der Asynchronmaschine so groß macht,
daß ihr Eigenblindleistungsbedarf die Leerlaufblindleistung der Fernleitung aufhebt,
dann kann der Frequenzwandler 13 mit seinem Zubehör entbehrt werden. Doch bedeutet
das eine Vergrößerung der Abmessungen der Asynchronmaschine. Die Vergrößerung der
Blindleistung über den Eigenbedarf hinaus ist bekanntlich nur bei der Asynchronmaschine
möglich, die Erregermaschine, die dieses Verhalten sichert, muß aber mit der Asynchronmaschine
gekuppelt sein. Winkel- und Schlupfänderungen des Läufers der Asynchronmaschine
haben auf das durch den Strom J2 a bewirkte Verhalten keinen Einfluß, weil der Frequenzwandler
13 alle diese Änderungen wegen der mechanischen Kupplung mitmacht, so daß die einmal
eingestellte Phasenlage des Zeigers J2 a gegenüber dem Zeiger der Spannung Ui stets
erhalten bleibt (vgl. Fig.4). Dies trifft jedoch für den vom Frequenzwandler g gelieferten
Stromanteil J, I nicht zu, der ihm entsprechende Strombelag ändert seine Größe und
Richtung mit der Belastung. Das Verhalten des Maschinensatzes läßt die folgenden
Beziehungen erkennen: Zunächst geht der Nachweis, daß die Maschine synchrones Verhalten
aufweist, aus folgender Überlegung hervor Die Drehungsfrequenz f i der Asynchronmaschine
ist gegeben durch fI - fi :L f2, (I)
wenn f1 die Netzfrequenz und f2
die Schlupffrequenz bedeuten. Die Drehungsfrequenz f j[ des Frequenzwandlers
ist durch die gleiche Beziehung gegeben fII - f1 :E f2. (2) Daraus folgt f r = f
a, (3) d. h. der Frequenzwandler schreibt durch seine Drehzahl auch die der Asynchronmaschine
vor.
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Für den Ständerkreis de:- Asynchronmaschine gilt nun die Beziehung
Ui - Ji (R, -I- j X i) - ? J2 X h = o- (4) Ui Klemmenspannung/Phase,
J, Ständerstrom, J2 Läuferstrom, R:, Ohmscher Widerstand der Ständerwicklung je
Phase, X, Eigenblindwiderstand der Ständerwicklung je Phase, Xh Hauptblindwiderstand
der Ständen@ricklung je Phase.
Die Läuferwerte seien auf die Windungszahl
des Ständers bezogen.
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Für den Läuferstrom kann man schreiben J2 JD +Kl-Jl-e'".
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a ist hierbei der Winkel zwischen Ständer- und Läuferwicklungsachse
(Achsenwinkel), den beide, bezogen auf Stillstand, miteinander einschließen würden.
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Teilt man Gleichung (q.) durch j. Y" so erhält man Je0 q, .
J1 J2 - 01 (6)
wenn man
setzt. Mit (5) in (6) erhält man (Je. JD) - v - Jl hl
- J1 O. (7)
Diese Gleichung entspricht dem entsprechenden Stromdreieck der
Fig. .4. Nach J1 aufgelöst, ergibt sich
Dies ist die Gleichung eines Kreises. Sein Mittelpunktzeiger ist gegeben durch
und sein Radius durch
b$ ist der konjugierte Zeiger
+ y
zu b. m 1- T führt zum Punkt Po für a = o. Jeo liegt in der J-Achse, ebenso kann
man auch JD in diese Achse legen, und wenn man R1 gegenüber Xh vernachlässigt,
werden b und sein konjugierter Zeiger bK reell. Der Mittelpunktszeiger liegt dann
ebenfalls in der j -Achse, und zwar, wie man aus Gleichung (9) ohne weiteres erkennt,
auf dem positiven Teil, wenn K1 größer als v wird. Durch richtige Wahl der Konstanten
kann man demnach den Ortskreis des Ständerstromes so legen, wie es die Leitung erfordert,
um sowohl bei allen Belastungen die Spannung am Anfang und Ende konstant zu halten
als auch eine ausreichende Kippsicherheit bei der Energieübertragung zu erzielen.
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Die einfache Schaltung nach Fig. 3 eignet sich nur für kleine Leistungen,
weil die den Läufer der Asynchronmaschine unmittelbar speisenden Frequenzwandler
nur für beschränkte Leistungen ausgeführt werden können. Für größere Leistungen
muß man eine ständererregte Stromwendermaschine der Bauart Siemens-Lydall oder Scherbius
als Zwischenglied verwenden. Fig. 5 zeigt eine solche Schaltung. Sofern es sich
um die gleichen Bezugszeichen handelt, haben sie die gleiche Bedeutung. Die Frequenzwandler
9 und 13 speisen hier die Erregerwicklung der ständererregten Stromwendermaschine
1q., die mit Kompensationswicklung und Wendepolen versehen sei. Da ihre Erregerleistung
nur einen Bruchteil der Ankerleistung beträgt, werden die Frequenzwandler dementsprechend
kleiner. Es besteht jedoch ein Unterschied in der Wirkungsweise gegenüber der Anordnung
nach Fig.3, bei der die Frequenzwandler den Läuferstrom J2 unmittelbar bestimmen
und wegen ihrer Stromschaltung auch gegen Widerstands-und Spannungsänderungen festhalten.
Bei der Anordnung nach Fig. 5 entspricht dagegen dem Summenstrom der beiden Frequenzwandler
nur die von der Stromwendermaschine erzeugte Spannung, der Strom J2 stellt sich
als Folgegröße nach den Widerständen und Gegenspannungen des Läuferkreises ein.
Dies ist aber nicht erwünscht, weil durch kleine Zufälligkeiten die Ortskurve des
Ständerstromes einen ganz anderen Verlauf nimmt, als ihn die Fernleitung erfordert.
Um dies zu vermeiden und eine unmittelbare Steuerung des Läuferstromes J2 durch
die Frequenzwandler zu erhalten, kann man die Stromwendermaschine mit einer Gegenreihenschlußerregerwicklung
versehen und bekommt dadurch eine Art Stromvergleich im Erregerkreis der Stromwendermaschine
in ähnlicher Weise wie bei einer Gleichstrommaschine in Krämerschaltung. Um eine
Vergrößerung der Stromwendermaschine durch die Differenzbildung im Erregerkreis
zu vermeiden, ist bei der Anordnung nach Fig. 6 der Stromvergleich in den Frequenzwandler
13 verlegt. Er besitzt zu diesem Zweck zwei Wicklungen im Ständer. Von diesen ist
die eine vom Läuferstrom J2 durchflossen, die zweite hat eine doppelte Aufgabe.
Einmal dient sie als Kompensationswicklung für den Erregerstrom J3, mit dem der
Frequenzwandler die Erregerwicklung der Stromwendermaschine speist, so daß dieser
Strom im Frequenzwandler keinerlei Rückwirkung mehr ausüben kann. Ferner führt sie
den vom Frequenzwandler 9 gelieferten Strom K1 # J, Der Strom JD
wird dem
Läufer zugeführt. Wenn man vom eigenen Erregerstrom des Frequenzwandlers 13 absieht
bzw. wenn man ihn auf andere Weise deckt, z. B. durch Kondensatoren i5 parallel
zu den Schleifringen, dann bilden JD und K1 - J1 einen freien überschüssigen
Strombelag in der Maschine, der ihr Feld so lange ändert, bis der dadurch beeinflußte
Strom J2 durch seine Gegenamperewindungen den freien Strombelag aufhebt. Auf diese
Weise ist J2 nach Größe und Phasenlage durch die Summe von JD und K1 - J,
vorgeschrieben. Auch den eigenen Erregerstrom des Frequenzwandlers 9 kann man durch
Parallelkondensatoren aufbringen.
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Wird das Netz i nicht von einem einzigen, sondern von mehreren Generatoren
gespeist, so erreicht man den gleichen Ortskreis des Gesamtstromes, indem man die
Kreise der Einzelströme ähnlich gestaltet. Dies geht aus folgender Betrachtung hervor.
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Der Ortskreis für den Gesamtstrom des Netzes i sei gegeben durch Jl=m+T-ei?.
(ii) Hierin bedeutet m den Zeiger zum Mittelpunkt, r den Zeiger für den Radius in
der Nullage und e
den Winkel gegenüber dieser Nullage. Die Teilströme
seien bestimmt durch Ji a = Ma + r, nf' a (12 a) il b=mb+rbTl'eb. (r2 b)
Nun ist J1 '_ @Jir = Jia + 11b + #.. (13) = Ma -f- lt b + . . . +
ra . ei e a + rb . ei ; b + . . . Wählt man nun die Mittelpunktzeiger und die Radien
der einzelnen :Maschinen so, daß sie folgenden Bedingungen genügen m-ma_.mbm,+...+mT=@mT
(i4) -a.m@bm+... , y.m-m.imr r - ra i Tb + . . . ._ r, - 1'r1 (i5) =cs
r+ b r , .--r r -r ,'r, wobei I y (1Ö) so erhält man Ji=m+r(a.ei'a+b.ei@b@...+y.ei@r)
(17) Für o" = nb = O,. geht Gleichung (17) über in Ji=m+r-e'e. (il) Dies ist aber
wieder die Gleichung (il) für den Gesamtstrom des Netzes i. Der Ortskreis für den
Gesamtstrom erhält demnach den rechten Verlauf, wenn man die Ortskreise für jeden
Einzelstrom dem Gesamtkreis ähnlich gestaltet. Ist die Wirklast auf alle Maschinen
durch richtige Beaufschlagung im richtigen Verhältnis verteilt, dann trifft dies
auch ohne weiteres für die Blindleistung zu, weil dann für alle Maschinen der Winkel
2 bzw. der Achsenwinkel a der gleiche ist. Bei Verschiedenheiten der Winkel o treten
geringe Abweichungen vom Sollverlauf der Gesamtkurve auf, doch sind diese nicht
sehr erheblich, wenn die Mittelpunktzeiger und Radien richtig gewählt sind. Bei
richtiger anteilmäßiger Wirkbelastung können zudem gar keine großen Abweichungen
des Winkels auftreten.
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Die Frequenzhaltung ist durch das Netz 2 vorgeschrieben, das auch
seinem Bereich am Ende der Leitung die entsprechenden Blindleistungen induktiver
und kapazitiver Art zur Verfügung stellen muß, um die Spannung U2 konstant zu halten.
Das Anfahren des Netzes i und der Fernleitung kann in der Weise erfolgen, daß die
Generatoren zunächst nur durch den unmittelbar gekuppelten Frequenzwandler erregt
werden, wodurch sie die `Virkungsweise von Drosselspulen erhalten. Sie werden dann
auf die der Frequenz des Netzes 2 entsprechenden Drehzahl gebracht und auf die zunächst
noch spannungslose Fernleitung geschaltet, die auch weiterhin noch spannungslos
bleibt, weil die Generatoren nur reine Drossel«-irkung haben und nicht auf Spannung
kommen können. Erst bei Zuschalten des Netzes 2 kommt die Leitung und das Netz i
auf Spannung. Durch Hinzunahme der fremdangetriebenen Frequenz. wandler wird dann
die betriebsmäßige Schaltunf hergestellt. Es ist natürlich auch möglich, durcl eine
takthaltende Maschine von seiten des Netze: her die Fernleitung unter Spannung zu
setzen. Die Asynchronmaschinen sorgen dabei für die erforder' liche induktive Belastung.
PATENTANSPRÜCHE: i. Anordnung zur Energieübertragung über weite Entfernungen mittels
Drehstromasynchronmaschinen, die vom Läufer her erregt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß die Erregung über einen fremd angetriebenen und vom Ständerstrom der Asynchronmaschine
gespeisten Stromwenderfrequenzwandler unmittelbar oder mittelbar erfolgt, derart,
daß die vom Ständerstrom beschriebene Ortskurve selbsttätig den von der Fernleitung
zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Verhältnisses der Spannungen am Anfang und
Ende der Leitung und zur Wahrung der Kippsicherheit verlangten Verlauf unter zwangsläufig
richtiger Zuordnung von Wirk- und Blindlast aufweist.
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2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die bei
Leerlauf und kleinen Wirkbelastungen benötigte nacheilende Blindleistung durch einen
zweiten, mit der Asynchronmaschine gekuppelten, über einen großen Scheinwiderstand
in Stromschaltung vom Netz aus gespeister und stromwenderseitig mit dem ersten Frequenzwandler
parallel geschalteten Stromwenderfrequenzwandler gesichert wird, wenn die Eigenblindleistung
der Asynchronmaschine dafür nicht ausreicht.
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3. Anordnung nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Erregung der Asynchronmaschine durch eine ständererregte, kompensierte Stromwendermaschine
erfolgt, deren Erregerwicklung von den beiden Frequenzwandlern gespeist wird.
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q.. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem
der beiden Frequenzwandler ein Stromvergleich mit dem Läuferstrom der Asynchronmaschine
stattfindet, in der Weise, daß der Läuferstrom über eine besondere Wicklung im Ständer
dieses Frequenzwandlers geführt wird und dort der Summe der von den beiden Frequenzwandlern
ursprünglich gelieferten Erregerströme entgegenwirkt, während der vom Stromwender
dieses Frequenzwandlers der Erregerwicklung im Ständer der Stromwendermaschine zugeführte
Strom durch eine zweite Wicklung im Ständer dieses Frequenzwandlers kompensiert
wird, wobei dieser Wicklung auch der vom anderen Frequenzwandler gelieferte Strom
überlagert wird.
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5. Anordnung nach Anspruch i bis .4, dadurch gekennzeichnet, daß die
der Fernleitung zugeführte Leistung auf mehrere parallel arbeitende Maschinen aufgeteilt
ist, deren Ortskurven des
Ständerstromes einander ähnlich sind und
in ihrer Summe die gewünschte Kurve des Stromes am Leitungsanfang ergeben, so daB
bei anteilmäßiger Beaufschlagung mit Wirklast sich für die einzelnen Maschinen auch
die Blindlast zwangsläufig im richtigen Verhältnis einstellt. 6. Anordnung nach
Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daB der Eigenerregerbedarf der beiden
Frequenzwandler durch geeignete Bemessung sehr klein gehalten bzw. durch Kondensatoren
parallel zu den Schleifringen aufgebracht wird.