DE961188C - Anordnung zur groessenverhaeltnisgleichen und phasengetreuen UEbertragung eines Wechselstromes aus einem Stromkreis in einen anderen unter gleichzeitiger Leistungsverstaerkung - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 4. APRIL 1957

S 3681 VIIIb 12id*

(Ges. v. 15. 7.1951)

In Wechselstromkreisen der Starkstromtechnik besteht häufig der Wunsch, einen Strom gegebener Größe und Phasenlage verhältnisgleich nach Größe und phasengetreu, jedoch mit vielfach verstärkter Leistung in einen anderen Stromkreis gleicher oder verschiedener Frequenz zu übertragen. Eine solche Aufgabe besteht z. B. bei der Erregung von Drehstromregelsätzen mit Ständererregung in Stromschaltung, die in neuerer Zeit bei solchen Maschinensätzen, z. B. Netzkupplungsumformern, üblich geworden ist. Solche Regelsätze bestehen normalerweise aus der asynchronen Hauptmaschine, aus der ständererregten Regelmaschine und dem Erregerfrequenzwandler. Hierbei werden dem Erregerstromkreis der Regelmaschine Ströme aus Stromkreisen zugeführt, deren Leistung groß gegenüber der an den Erregerstromkreis abgegebenen Leistung ist. Auf diese Weise kann man verhindern, daß sich der mit der Schlupf frequenz veränderliche Scheinwiderstand der Erregerwicklung nachteilig auf die Größe und die Phasenlage der von der Regelmaschine gelieferten Spannung und damit auf die Regelung der Maschine selbst auswirkt. Die übliche Schaltung erfolgt dabei in der Weise, daß den Schleifringen des Erregerfrequenzwandlers über regelbare Stromwandler die zur Regelung der Drehzahl und des Leistungsfaktors benötigten Ströme zugeführt

werden. Diese regelbaren Stromwandler werden häufig als Doppeldrehumspanner ausgeführt, um eine stetige Regelung zu erreichen. Obwohl die Stromschaltung es ermöglicht, das Regelzubehör nur für die Erregerleistung der Regelmaschine zu bemessen, da keinerlei zusätzliche Widerstände benötigt werden, erreicht das Regelzubehör mitunter namentlich bei größeren Leistungen und Regelbereichen doch größere Abmessungen. Dies wirkt sich dann nachteilig auf ίο die Größe derjenigen Regler aus, von denen die regelbaren Stromwandler betätigt werden. Man hat daher schon vorgeschlagen, den Erregerfrequenzwandler über Erregerumformer zu speisen.. Erregerumformer normaler Bauart haben jedoch nicht die für eine Stromschaltung erwünschten Eigenschaften. Sie verstärken wohl die zugeführte Leistung, doch ist dabei ihre abgegebene Spannung dem zugeführten Erregerstrom verhältnisgleich, während die Stromschaltung verlangt, daß der abgegebene Strom dem zugeführten

Strom nach Größe und Phasenlage entspricht. Hinzu kommt, daß für die Erregung des Frequenzwandlers und des Erregerumformers ein Teil des Gesamtstromes abgezweigt wird, der sich als Fehler in dem vom Frequenzwandler an die Erregerwicklung der

as Regelmaschine abgegebenen Strom auswirkt. Man kann diesen Fehler zwar durch Parallelkondensatoren ausgleichen, doch tritt hierbei der Nachteil auf, daß die Abstimmung gestört wird, wenn sich die Netzfrequenz ändert. Auch derjenige Fehler, der durch

spannungsabhängige Verluste entsteht, kann durch die Kondensatoren nicht beseitigt werden.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur größenverhältnisgleichen und phasengetreuen Übertragung eines Wechselstromes aus einem Stromkreis in einen anderen unter gleichzeitiger Leistungsverstärkung, die die geschilderten Nachteile vermeidet. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Erregung von Drehstromregelsätzen mit Ständererregung in Stromschaltung. Nach der Erfindung

wird der aus einem Eingangsstromkreis mit großen Scheinwiderständen (Stromschaltung) entnommene Strom nach Größe und Phase regelbar einer Maschinenanordnung (Maschinenverstärker) zugeführt, die aus einer Wechselstrom-Stromwendermaschine mit dem wesentlichen Aufbau einer Wechselstrom-Reihenschlußmaschine mit Netzfrequenz-und Niederfrequenz-Stromkreis besteht, deren Netzfrequenz-Stromkreis der verstärkte Strom entnommen wird. Infolge der Reihenschaltung von Ständer und Läufer ergeben die vom Ständerstrom im Ständer und im Läufer erzeugten Amperewindungen einen Gesamtstrombelag, der von Null verschieden sein muß. Zweckmäßig wirken beide Amperewindungen einander entgegen, so daß die Maschine mit Teilkompensation arbeitet.

Außerdem werden dem Läufer noch zwei Ströme zugeführt, einmal der Summenstrom der beiden regelbaren Stromwandler und ferner der Strom einer Drosselspule, die parallel zu den Klemmen der Stromwendermaschine liegt und deren Leistung groß ist gegenüber der aus ihrem Stromkreis dem Läufer zugeführten Leistung. In der Maschine findet entsprechend dem Verhältnis elektrisch zugeführte zu elektrisch abgeführter Leistung eine vielfache VerStärkung statt, so daß sie als Maschinenverstärker wirkt. Der Strom der Drosselspule, die parallel zu den Klemmen des Maschinenverstärkers liegt, wirkt über diesen so, daß alle von der Erregerspannung abhängigen Fehlströme (Erregerströme des Frequenzwandlers, des Maschinenverstärkers und der Drosselspule) beseitigt werden, so daß der von den regelbaren Stromwandlern gelieferte Summenstrom größenverhältnisgleich und phasengetreu der Erregerwicklung der Regelmaschine zugeführt wird.

Ein Ausführungsbeispiel möge den Erfindungsgedanken näher erläutern. In Fig. 1 der Zeichnung bedeutet 1 die Asynchronmaschine, 2 die Regelmaschine mit Ständererregung und 3 der Erregerfrequenzwandler eines Drehstromregelsatzes, 4 bis 11 stellen das Erregerzubehör der an sich bekannten Schaltungen dar, bestehend aus dem Absatzumspanner 4, dem Drehzahlwandler 5, dem cos ^-Stromwandler 6, dem Isolierwandler 7, der Drosselspule 8, dem Compound-Isolierwandler 9 und dem Compound-Regelwandler 10. Während jedoch bei Schaltungen der bekannten Art die Wandler 5, 6 und 10 gemeinsam die Primärseite des Absatzumspanners 4 speisen, geschieht dies hier über die Stromwendermaschine 11, die von einem besonderen Motor 12 mit ungefähr synchroner Drehzahl angetrieben wird. Ständer und Läufer der Stromwendermaschine 11 sind über den Umspanner 13 miteinander in Reihe geschaltet, zweckmäßig so, daß sich der Ständer- und der Läuferstrombelag, wenn beide nur vom gleichen Ständerstrom verursacht sind, in der Hauptsache entgegenwirken und bis auf einen Rest aufheben. Die Stromwendermaschine 11, die im Aufbau einem normalen Drehstromreihenschlußmotor gleicht, arbeitet demnach mit Teilkompensierung. Außerdem werden ihrem Läufer über den Umspanner 13 noch der Strom der Drosselspule 14 und der Summenstrom der Wandlers, 6 und 10 zugeführt. Die Leistung der Drosselspule 14 ist groß gegenüber der aus ihrem Stromkreis an den Läufer der Stromwendermaschine 11 abgegebenen Leistung. Durch geeignete Wahl der Sättigung der Drosselspule 14 weist der von ihr aufgenommene Strom etwa den gleichen Verlauf über der Spannung am Ausgangsstromkreis auf wie die ebenfalls von der Sättigung beeinflußten Fehlströme. In Fig. 2 ist ein Teil der Schaltung, soweit, er den Stromwender-Maschinenverstärker betrifft, noch einmal dargestellt. Die Drosselspule 15 soll den eigenen Blindleistungsbedarf des Erregerfrequenzwandlers 3 (Fig. 1) andeuten.

Es bezeichnet:

1₁ = Ständerstrom des Maschinenverstärkers,

1₂ = Läuferstrom des Maschinenverstärkers, i_eZ = Erregerstrom des Maschinenverstärkers,

i_la = Anteil des Ständerstromes i_v der über den Erregerfrequenzwandler der Erregerwicklung der Hintermaschine (Regelmaschine 2, Fig. 1) zufließt,

*'u, = Anteil des Ständerstromes*! für die Drosselspule 14,

I_{1 e} = Anteil des Ständerstromes J₁ zur Erregung des Erregerfrequenzwandlers 3 (Fig. 1),

₁ bzw. w₂ = Ständer- bzw. Läuferwindungszahl des Maschinenverstärkers,

IwA .. (w₃\ \w₂)_T \w₂jj.

und

ίο Übersetzungsverhältnisse am Erregerumspanner 13. Es gelten dann folgende Gleichungen

i_v2 -W₂ = Hw₁ % i₂ ■ W₂, (1)

d. h., der Erregerstrombelag setzt sich aus der vektoriellen Summe des Ständer- und Läuferstrombelages zusammen. Für den Läuferstrom i₂ gilt

■■=·■■—-feb

und für den Ständerstrom

= -ha -Hb -Hc

(3)

Gleichungen (2) und (3), in Gleichung (1) eingesetzt, ergeben

+W₂-U₁?)-^

oder

^i₁D- W₂-ü₂T^i_aw₂-

Ha (W₁ + W₂ ■ Ü_lT) = -I₀₂-W₂ CTi₁₆ [Oi₁ + W₂ (U₁T + U_{2 r})] ^i₁ "„ (IP₁ + W₂ U₁T) -I₃

Setzt man

-i_e2 ■ w₂ -i_lb [W₁ + W₂ (U₁T + U₂T)I-I₁₀(W₁ + w₂ü_lT) = ο,

(4)

(5)

as so erhält man daraus

i_e2

+ η _c (W₁ + W₂ ■ ü_lT)

(6)

¹ · W₁ + W₂ (U₁T + ü₂t)

Ferner erhält man mit Gleichung (5) aus Gleichung (4)

h.= -*.·— ■ (7a)

Führt man für das Verhältnis

^L.ü T = k

W₁ ^x

ein, so geht Gleichung (7 a) über in

W₁ (I + k) '

(7)

d. h., der an die Erregerwicklung der Regelmaschine 2 (Fig. 1) gelieferte Strom ist nach Größe und Phasenlage durch den Summenstrom der Wandler 5, 6 und 10 bestimmt. Die Fehlströme, verursacht durch die Erregerströme des Erregerfrequenzwandlers und des Maschinenverstärkers, machen sich nicht bemerkbar. Der Strom i₁₆ der Drosselspule 14 wird im allgemeinen nicht nach Gleichung (6) bestimmt, er ist vielmehr durch die Leistung dieser Drosselspule gegeben, die ein Mehrfaches der aus diesem Stromkreis an den Läufer der Stromwendermaschine 11 abgegebenen Leistung betragen soll. Aus Gleichung (6) errechnet .ich dann das Übersetzungsverhältnis

Der Verstärkungsfaktor V ergibt sich aus dem Verhältnis der Leistung N₁ an der Erregerwicklung der Regelmaschine 2 und der Leistung N₂, die von den drei Wandlern 5, 6 und 10 geliefert wird.

Bezeichnet U₁ die Klemmenspannung des Maschinen- go Verstärkers, CJ₂ dessen Läuferstillstandsspannung und U₃ die Klemmenspannung der Wandler 5, 6 und 10, so erhält man für

ν =

N₁ U₁-I

la

N₉.

U₃ · i_z

(9)

Für Z7, kann man schreiben

U₃^a-U₂- ^=

W₁

W^ W₂

W-,

(10)

und für i₃ aus Gleichung (7)

^la

Damit wird

N,

a-(x+k)

(12)

Hierin bedeutet α das Verhältnis der Läuferspannung bei Lauf zu der bei Stillstand, das ungefähr dem Schlupf entspricht. Für a = 0,02 und k — — 0,9 (Ständer und Läufer gegensinnig geschaltet) erhält man einen Verstärkungsfaktor

Fig. 3 zeigt für verschiedene Werte· von k die er

reichbaren Verstärkungsfaktoren V = -rp-, die in Rich-

•"2

tung auf positive ft-Werte stark abnehmen, aber auch da/noch eine erhebliche Verstärkung gewährleisten. Ein gar zu starkes Anwachsen im Bereiche ο > k >—1

ist nicht ratsam, weil hierbei der Verstärkungsfaktor F wohl stark zunehmen würde, aber zugleich würde aucb der Strom I_{1 a} nach Größe und Phase dem Strom i_a nicht mehr entsprechen, wie aus Gleichung (7) ersichtlieh ist. Bei k = — 1 wird nach dieser nämlich i_la == C: 00. Mit geeigneten Werten von k erhält man dagegen sowohl einen ausreichenden Verstärkungsfaktor V als auch eine gute Führung des Stromes i_x durch den Strom i_a. Damit Gleichung (7) stets erfüllt xo ist, muß J₁₆ der Gleichung (6) genügen. Die Ströme i_ei und I_{1 c} sind der Spannung am Erregerfrequenzwandler verhältnisgleich. Bei· eintretender Sättigung im Erregerfrequenzwandler und im Maschinenverstärker wird diese geradlinige Beziehung gestört. Man kann jedoch die Sättigung der Drosselspule 14 so wählen, daß auch hierbei die Gleichung (6) möglichst gut erfüllt bleibt.

Der Erregerstrom der regelbaren .Wandler 5 und 6 verursacht ebenfalls einen Fehlstrom im Summenao strom der drei Wandler 5, .6 und 10. Im Gegensatz zur Erregerwicklung der Hintermaschine (Regelmaschine 2, Fig. 1) stellt jedoch die Läuferwicklung des Maschinenverstärkers einen so gut wie konstanten Widerstand dar, der auch sein Verhalten als Wirk- oder »5 Blindwiderstand nicht verändert. Bei synchronem Antrieb der Stromwendermaschine 11 stellt er einen Ohmschen Widerstand dar. Zu diesem Widerstand ist der konstante Erregerblindwiderstand der Wandler 5, 6 und 10 parallel geschaltet. Demgemäß ist der Strom i₃ seinem Sollwert, den er ohne den Fehlstrom hätte, verhältnisgleich. Abweichungen nach Größe und Phase können durch einmalige Einstellung am Übersetzungsverhältnis der Wandler bzw. der Kupplung des Erregerfrequenzwandlers berücksichtigt werden. Wegen der kleinen Leistung, die von den Wandlern 5, 6, 7, 9 und 10 abgegeben wird, können ihre Abmessungen reichlich gewählt werden, so daß im ganzen Arbeitsbereich keine Sättigung auftritt. Da der Maschinenverstärker mit synchroner oder nahezu synchroner Drehzahl betrieben wird, kann in seinem Läufer eine Dämpferwicklung untergebracht werden, die das Auftreten unerwünschter Frequenzen im Erregerstromkreis der Regelmaschine 2 verhindert. Von einer Verstärkerwirkung kann man dann sprechen, wenn die zu verstärkende Größe nicht nur größen- und phasengetreu, sondern auch sehr schnell übertragen wird. Die Schnelligkeit der Übertragung ist hier dadurch gegeben, daß der Eingangsstrom (i_s) einer Stromschaltung entstammt, die den Strom unter So allen Umständen zu erzwingen versucht und dafür die benötigten Feldänderungsspannungen verzögerungsfrei zur Verfügung stellt. Andererseits arbeitet der Maschinenverstärker ohne Trägheit, weil sein magnetischer Kreis aus Blechen geschichtet ist, in dem sich jeder freie Strombelag so lange feldändernd auswirkt, bis das dem Sollzustand entsprechende Gleichgewicht aller Amperewindungen hergestellt ist. Statt aus einer Stromwendermaschine kann der Maschinenverstärkex 2. B. auch aus einer Asynchronmaschine bestehen, die über eine unmittelbar mit ihr gekuppelte läufererregte Drehstromerregermaschine mit oder ohne Kompensation gespeist wird. Der Erregerumspanner, dem der zu verstärkende Strom zugeführt wird, ist dabei j zwischen dem Netzfrequenzstromkreis der Asynchronmaschine und dem Erregerstromkreis der Dreh-Stromerregermaschine als Stromtransformator geschaltet. Der Umspanner 13, dessen Primärwicklung W₁ vom Ständerstrom dieser Asynchronmaschine durchflossen wird, speist dann aus seiner Sekundärwicklung W₂ die Schleifringe dieser Erregermaschine. Diesem Umspanner wird dann über eine dritte Wicklung noch der zu verstärkende Strom, also in der Anordnung nach Fig. 1 der Strom i_s, zugeführt.

Ein besonderer Vorteil der beschriebenen Anordnung besteht noch darin, daß sie ohne Wagnis auf ihr richtiges Verhalten erprobt werden kann. Man kann von der bekannten Schaltung mit unmittelbarer Speisung der Schleifringe des Erregerfrequenzwandlers durch Zwischenschaltung des Maschinenverstärkers auf die neue Schaltung übergehen. Die durch den Maschinenverstärker mögliche Leistungsverminderung drückt sich dann in einem entsprechenden Rückgang der vom Erregerzubehör aufzubringenden Spannung aus.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   < i. Anordnung zur größenverhältnisgleichen und phasengetreuen Übertragung eines Wechselstromes aus einem Stromkreis in einen anderen unter gleichzeitiger Leistungsverstärkung, insbesondere zur Erregung von Drehstromregelsätzen mit Ständererregung in Stromschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß der aus einem Eingangsstromkreis mit großen Scheinwiderständen (Stromschaltung) entnommene Strom nach Größe und Phase regelbar einer Maschinenanordnung (Maschinenverstärker) zugeführt wird, die aus einer Wechselstrom-Stromwendermaschine mit dem wesentlichen Aufbau einer Wechselstrom-Reihenschlußmaschine mit Netzfrequenz- und Niederfrequenz-Stromkreis besteht, deren Netzfrequenz-Stromkreis der verstärkte Strom entnommen wird.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu verstärkende und der verstärkte Strom in einem Erregerumspanner verglichen werden, der den Niederfrequenz-Stromkreis des Maschinenverstärkers über einen Stromwender speist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Maschinenverstärker aus einer Asynchronmaschine mit läufergespeister Drehstromerregermaschine besteht und daß der Erregerumspanner, dem der zu verstärkende Strom zugeführt wird, zwischen den Netzfrequenz-Stromkreis der Asynchronmaschine und den Erregerstromkreis der Drehstromerregermaschine als Stromtransformator geschaltet ist. i»o
4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Maschinenverstärker synchron oder ungefähr synchron und fremd angetrieben wird.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch 1*5 gekennzeichnet, daß Parallelfehlströme, die von

   der Spannung am Ausgangsstromkreis abhängig sind, durch einen von dieser Spannung abhängigen, dem Erregerumspanner zugeführten Strom ausgeglichen werden.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Erregerumspanner zugeführte Strom durch eine parallel zu den Klemmen des Maschinenverstärkers liegende Drosselspule bestimmt wird, deren Leistung groß ist gegenüber der aus ihrem Stromkreis abgegebenen Leistung, id
7. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Wahl der Sättigung der Drosselspule der von ihr aufgenommene Strom etwa den gleichen Verlauf über der Spannung am Ausgangsstromkreis aufweist wie die ebenfalls von der Sättigung beeinflußten Fehlströme.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen

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