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Anordnung zur Erregung von Drehstromregelsätzen Bei Drehstromregelsätzen
(z. B. Netzkupplungsumformern) mit Kommutatorhintermaschine treten mitunter Selbsterregungen
mit netzfremder Frequenz auf. Besonders neigen Maschinensätze dazu, bei denen die
Kommutatorhintermaschine in Abhängigkeit von dem Belastungsstrom der asynchronen
Hauptmaschine (Lastschlupferregung) erregt wird, weil durch den vom Belastungsstrom
gespeisten Stromwandler eine starre Rückkopplung des Eingangskreises der Kommutatorhintermaschine
mit dem Ausgangskreis der Asynchronmaschine stattfindet. Um dies zu vermeiden, hat
man vorgeschlagen, in den Erregerkreis der Kommutatorhintermaschine Mittel einzubauen,
die für netzfremde Frequenzen eine möglichst gute Sperre bilden. Solche Mittel stellen
gewissermaßen ein Bandfilter dar, das nur ein schmales Band in der Nähe der Netzfrequenz
oder nur diese selbst durchläßt. Beispielsweise kann man zu diesem Zweck den vom
Belastungsstrom der Hauptmaschine gespeisten Stromwandler über Gleichrichter auf
den Erregerkreis eines Erregerumformers einwirken lassen, der seinerseits die Erregung
der Kommutatorhintermaschine speist.
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Die Erfindung befaßt sich mit einer derartigen Anordnung zur Erregung
von Drehstromregelsätzen, bei der für die Erregung der Kommutatorhintermaschine
ein synchroner Erregerumformer vorgesehen ist, der in Abhängigkeit von Betriebsgrößen
der asynchronen Vordermaschine (Strom, Spannung oder beides) mit Gleichstrom erregt
wird. Es sollen also insbesondere über den Erregerumformer sämtliche die Steuerung
des
Drehstromregelsatzes bestimmenden Einflüsse (Drehzahl, Leistungsfaktor, Lastschlupf)
geleitet werden, wobei diese Einflüsse durch den Strom oder die Spannung oder durch
den Strom und die Spannung der Asynchronmaschine zum Ausdruck gebracht sind.
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Erfindungsgemäß sind für die Speisung der Erregerwicklungen des Umformers
Umspanner vorgesehen, deren Primärwicklungen ein in der Phasenlage und zweckmäßig
auch in der Größe konstanter Erregerstrom zugeführt wird und deren Zweitwicklungen
zwei gesonderte Erregergleichrichter speisende Teile bilden. Es speisen ferner die
den Erregerumformer steuernden Betriebsgrößen der asynchronen Hauptmaschine an beiden
Zweitteilen in Strom- oder Spannungsüberlagerung mit dem durch die erstseitige konstante
Erregung der Umspanner hervorgerufenen Zweitstrom oder der Zweitspannung den zugeordneten
Gleichrichter. Dabei nehmen die steuernden Betriebsgrößen in dem einen Zweitkreis
in bezug auf den konstanten Zweitstrom oder -spannung die entgegengesetzte Phasenlage
ein wie in dem anderen Zweitkreis. An dem synchronen Erregerumformer können dabei
zwei in der räumlichen Phasenlage aufeinander -senkrecht stehende Erregerwicklungen
vorgesehen sein, von denen die eine auf die Drehzahl der asynchronen Vordermaschine,
die zweite auf ihren Leistungsfaktor einwirkt und bei der für die Speisung dieser
beiden Erregerwicklungen gesondert - wie geschildert -ausgebildete Umspanner und
Gleichrichter vorgesehen sind.
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Der synchrone Erregerumformer hat also zwei aufeinander senkrecht
stehende Erregerachsen, von denen die eine auf die Drehzahl, die andere auf den
Leistungsfaktor einwirkt. Jede dieser Erregerachsen wird von zwei einander entgegenwirkenden
Gleichströmen (Grunderregerströme) geschaffen, die sich in ihrer magnetisierenden
Wirkung aufheben. Dem Drehzahlsystem wird nun ein weiterer Strom überlagert, der
sich zu dem einen Grundstrom addiert und von dem anderen abzieht. Auf diese Weise
entsteht in der Drehzahlerregerachse ein wirksamer Erregerstrom, der auf die Drehzahl
einwirkt. Ebenso kann noch ein der Wirkleistung der Hauptmaschine verhältnisgleicher
Strom in gleicher Weise dem Grundstrom überlagert werden, der den wirksamen Strom
in der Drehzahlerregerachse verstärkt oder schwächt. Die Überlagerung der Grundströme
und der Drehzahl bzw. der Wirklastströme geschieht dabei in einer Wechselstrombrückenschaltung,
aus der dem Erregersystem die Ströme über Gleichrichter zugeführt werden. Die Brückenschaltung
bewirkt, daß nur die Ströme, die mit dem Grundstrom in Phase bzw. in Gegenphase
sind, in der Erregerachse wirksam werden, während die senkrecht zu diesem stehenden
Ströme nahezu keine Wirkung haben. In gleicher Weise kann auch das andere Erregersystem,
das auf die Blindleistung bzw. den Leistungsfaktor einwirkt, gespeist werden. Die
Schaltung wird hierbei so getroffen, daß sich der Blindstrom der Hauptmaschine zum
Grundstrom addiert oder von diesem subtrahiert, während der Wirkstrom um 9o° gegenüber
dem Grundstrom verschoben ist und daher nahezu ohne Einfluß bleibt. Den Erregerumformer
wird man zweckmäßig mit äußerst kleinem Kurzschlußverhältnis ausführen, damit sein
auf der Wechselstromseite abgegebener Strom unmittelbar der Größe und der Phasenlage
seiner Erregung entspricht. Es soll dabei der mit der Schlupffrequenz veränderliche
Blindwiderstand der Erregerwicklung der Kommutatorhintermaschine (Siemens-Lydall-
bzw. Scherbius-Maschine) auf die Größe und Phasenlage des über den Frequenzwandler
gelieferten Erregerstromes keinen Einfluß haben (Stromschaltung).
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In den Fig. I, 2 und 3 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt,
während Fig. 4 das Vektordiagramm für die Wirkungsweise der beanspruchten Schaltungen
enthält.
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In Fig.I ist I eine Asynchronmaschine, 2 die. mit ihr gekuppelte Kommutatorhintermaschine,
die im Ständer von dem ebenfalls mit I gekuppelten Erregerfrequenzwandler 3 mit
Schlupffrequenz erregt wird. Für die Speisung des Frequenzwandlers 3 dient nun ein
Erregerumformer 4 mit kleinem Kurzschlußverhältnis, der von dem an die Netzspannung
angeschlossenen Synchronmotor 5 angetrieben wird. Der Erregerumformer 4 hat zwei
Erregersysteme. Das System 6a und 6b wirkt auf die Drehzahl und wird von zwei Gleichrichtern
8 und 9 in Brückenschaltung gespeist. Den beiden Gleichrichtern wird über den Umspanner
I2 ein konstanter Strom (a' in Fig.4) zugeführt. Die beiden Ströme heben sich in
den Wicklungen 6a und 6b gegenseitig auf. Durch den steuerbaren Umspanner 14 wird
nun in 'der Mitte der Zweitwicklung des Umspanners I2 ein weiterer Strom (cb in
Fig. 4) zugeführt, der sich für den rechten Zweig der Zweitwicklung mit ab zu oa
addiert, so daß der Gleichrichter 8 und die Wicklung 6a den Strom ob erhalten. Für
den linken Zweig zieht sich dagegen der Strom äc vom Grundstrom ö9 ab, so däß der
Wicklung 6b über den Gleichrichter 9 nur der Strom öc zufließt. Die Wicklung
6. überwiegt demnach mit einem Strom cb und bewirkt z. B. eine entsprechende
Drehzahlabsenkung. Nun kann man der Mittenanzapfung des Umspanners 12 über den Umspanner
2o noch einen dem Ständerstrom der Maschine i verhältnisgleichen Strom zuführen,
der, wenn er reiner Wirkstrom ist, die gleiche Wirkung hat wie, der über den Umspanner
14 zugeführte Strom. Ist er dagegen reiner Blindstrom, so addiert er sich zu dem
Strom Üb in der rechten Hälfte des Umspanners i2 mit bd und zum Strom öc in der
linken Hälfte mit ce. Die Wicklung 6" erhält demnach einen Strom, der der Strecke
öd, und die Wicklung 6b einen Strom, der der Strecke öe verhältnisgleich
ist. Beide Ströme unterscheiden sich nur wenig von öb bzw. öc. Sobald aber der genannte
Strom einen Wirkanteil enthält, z. B. Ff bzw. cg, so macht sich dies in den
Summenströmen ö f bzw. ög sofort bemerkbar. In gleicher Weise wird auch das
Erregersystem 7a, 7b gespeist, das die Blindleistung bzw. den -Leistungsfaktor beeinflußt.
Zum Grundstrom, der über den Umspanner 13 zufließt, wird über den steuerbaren Umspanner
15 ein damit phasengleicher Strom addiert bzw. von diesem subtrahiert, dem über
den Umspanner 21 noch ein dem Ständerstrom der Hauptmaschine verhältnisgleicher
Strom überlagert wird. Die Schaltung dieses Umspanners 21 ist so getroffen, daß
ein Wirkstrom der Hauptmaschine
gegenüber dem Grundström und dem
vom Umspanner 15 gelieferten Strom um 9o° phasenverschoben ist. Dadurch kann nur
ein Blindstrom der Hauptmaschine sich auf das Erregersystem 7a, 7b auswirken, z.
B. in der Weise, daß ein nacheilender Strom cos p-verbessernd wirkt und umgekehrt
ein voreilender Strom.
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Um von Widerstandsänderungen u. dgl. in den Erregerkreisen des Umformers
4 unabhängig zu sein und eine bequeme Überlagerung der einzelnen Ströme zu ermöglichen,
werden diese Kreise in Stromschaltung betrieben, d. h., die Erstwicklungen der Umspanner
12, 13, 14 und 15 sind in Reihe geschaltet und werden über die Drosselspule 17 und
den Isolierumspanner 16 mit einem konstanten Strom gespeist. Ebenso sind die Umspanner
2o und 21 über den steuerbaren Umspanner I9 und den Isoierumspanner 18 mit der Ständerwicklung
der Maschine I in Reihe geschaltet.
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In Fig. I werden vier Erregerwicklungen 6a, 6" 7a, 7b benötigt. In
Fig.2 sind nur zwei Erregerwicklungen vorhanden, in denen sich Drehzahl und cos
9p-Erregerströme überlagern. Dies ist möglich, da beide Wicklungen als geschlossene
Ringwicklungen ausgeführt sind und vier über den Umfang gleichmäßig verteilte Stromanschlüsse
aufweisen, wobei zwei diametral gegenüberliegende Stromanschlüsse je in einen Stromkreis
eingeschaltet sind. So wird die Wicklung 6 in zwei aufeinander senkrecht stehenden
Achsen von den Gleichrichtern 8 und Io gespeist und ebenso die Wicklung 7 von den
Gleichrichtern 9 und II.
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Die Fig. 3 zeigt eine weitere Vereinfachung, wobei nur noch eine einzige
Erregerwicklung 6, 7 vorhanden ist, die ebenfalls als geschlossene Ringwicklung
mit vier Stromanschlüssen ausgeführt ist. Die senkrechte Wicklungsachse bildet z.
B. den mittleren Zweig einer Brücke, bestehend aus den beiden Gleichrichtern Io,
II und dem Widerstand 24 mit Mittenanzapfung. Je nachdem, welcher Gleichrichter
stärker beaufschlagt wird, ist die Erregerachse von oben nach unten oder umgekehrt
gerichtet. Ebenso liegt die waagerechte Erregerachse als Mittelzweig an der Brücke
mit den Gleichrichtern 8, 9 und dem mit Mittenanzapfung ausgerüsteten Widerstand
23.
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Die Anordnung nach Fig. 3 unterscheidet sich von der der Fig.I ferner
dadurch, daß die Umspanner des Erregerkreises in Spannungsschaltung gespeist werden.
Die Erstwicklungen der Umspanner 12, 13, 140 und 150 liegen am Isolierumspanner
16, die Erstwicklungen der Umspanner Zoo und 2Io an der Zweitseite des Umspanners
I9, der mit einem großen Luftspalt ausgeführt ist (Stromspannungsumspanner) und
von dem in den Belastungsstromkreis der Maschine I eingeschalteten Stromwandler
18 gespeist wird. Der Luftspalt ist so groß, daß der größte Teil des vom Stromwandler
18 gelieferten Stromes als Erregerstrom verbraucht wird. Der von der Zweitseite
des Umspanners I9 abgenommene Strom hat daher nur eine kleine Rückwirkung auf den
Erststrom, und die abgegriffene Spannung ist dem Erststrom verhältnisgleich. Man
]min daher die Zweitwicklungen der Umspanner 140 und Zoo bzw. 150 und 2Io in Reihe
schalten.
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Zwischen dem Frequenzwandler 3 und dem Erregerumformer 4 der Fig.
I kann noch eine Drosselspule 22 geschaltet werden. Der Erregerumformer wird zwar
dadurch etwas größer, doch werden die Feldänderungen in dieser Maschine dadurch
kleiner, und außerdem stört es nicht, wenn im übersynchronen Drehzahlbereich der
Erregerkreis der Siemens-Lydall-Maschine kapazitiv auf den Erregerumformer 4 zurückwirkt.
Der Erregerumformer wird mit Rücksicht auf schnelle Feldänderung im ganzen magnetischen
Kreis aus Blechen aufgebaut. Dort, wo der eigene Erregerbedarf der verwendeten Maschinen
und Umspanner stört, kann er durch Kondensatoren gedeckt werden. Die Umspanner 14
und 15 bzw. 140 und I5o der Fig.I bis 3 können wie bisher durch Regler betätigt
werden; sie können dazu als Drehumspanner ausgeführt sein.