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Verfahren und Einrichtung zur willkürlichen Leistungsübertragung zwischen zwei nicht starr miteinander verbundenen Wechselstromnetzen mittels zweier gekuppelter
Synchronmaschinen.
Es ist bekannt, dass man bei Synchron-Synchron-Umformern die übertragene Leistung dadurch regeln kann, dass man den Vektor der Maschinen-EMK in einer der beiden gekuppelten Synchronmaschinen gegenüber dem Vektor der Netzspannung um einen gewissen Winkel verdreht. Diese Verdrehung kann beispielsweise durch Verdrehung des Stators der Synchronmaschine geschehen oder durch Einfügung einer EMK. zwischen Netz und Synchronmaschine, welche gegenüber der Netzspannung in der Phase verschoben ist oder durch Verdrehung des Feldes der Synchronmaschine gegenüber der Erregerwicklung, letzteres beispielsweise dadurch, dass der Rotor eine zwei-oder mehrphasige Erregerwicklung erhält,
so dass durch Schwächung des Stromes in der einen und Verstärken des Stromes in der anderen Phase der Erregerwicklung eine Verdrehung des resultierenden Feldes entsteht. Die angegebenen Mittel sind jedoch nur dann anwendbar, wenn die Spannungsvektoren der beiden Netze, die durch den Synchron-Synchron-Umformer verbunden sind, eine feste gegenseitige Lage haben, d. h. wenn die Netze entweder unmittelbar zusammenhängen oder noch durch andere Umformergruppen miteinander starr verbunden sind. Ist dies nicht der Fall, so kann durch die oben erwähnten Mittel nur vorübergehend eine Änderung der durch die Umformergruppe übertragenen Leistung bewirkt werden, weil infolge dieser Leistungsänderung die Netzspannungsvektoren sich so lange gegeneinander verschieben, bis der ursprüngliche Zustand wieder hergestellt ist.
Erfindungsgemäss kann in solchen Fällen eine beliebige Leistung dauernd übertragen werden, wenn eine der beiden miteinander gekuppelten Synchronmaschinen eine zwei-oder mehrphasige von einer Gleichstromquelle gespeiste Erregerwicklung trägt und wenn die Stromstärke in den verschiedenen Phasen dieser Erregerwicklung durch eine besondere Regelvorrichtung so geregelt wird, dass die Durchflutung bei im wesentlichen gleichbleibender Stärke die Richtung ihrer Achse gegenüber der Erregerwicklung ständig ändert.
Die folgende Betrachtung möge die Wirkungsweise dieser Anordnung näher erläutern : Denkt man sich zunächst das Erregerfeld der Synchronmaschine gegenüber der Erregerwicklung feststehend, also beispielsweise nur eine der Erregerwicklungsphasen mit Strom gespeist, so müssen die beiden gekuppelten Netze genau synchron laufen, d. h. ihre Frequenzen müssen sich ebenso verhalten wie die Polzahlen der beiden miteinander gekuppelten Synchronmaschinen.
Bei ungleicher Belastung der Netze ist dies im allgemeinen nur möglich, wenn durch die Umformergruppe aus dem einen in das andere Netz eine bestimmte Leistung übertragen wird. Diese Leistung kann unter Umständen die Leistungsfähigkeit der Umformergruppe weit übersteigen. Soll nun die übertragene Leistung auf einen beliebigen anderen Wert eingestellt werden, einen Wert, der nun jedenfalls innerhalb der Leistungsfähigkeit der Umformergruppe liegen soll, so werden diese geänderten Leistungsverhältnisse wegen der Eigenschaften der Kraftmaschinenregler mit einer Änderung der Frequenzen der beiden Netze verbunden sein.
Die Netze werden also nicht mehr synchron laufen und ihre Kupplung mittels zweier Synchronmaschinen ist nur möglich, wenn der EMK-Vektor der einen Maschine nicht mit der Umdrehungszahl der Gruppe, sondern mit einer entsprechend der Differenz der Netz-
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frequenzen davon abweichenden Drehzahl umläuft. Diese Abweichung der Umdrehungszahl des E1HK- Vektors von der Umdrehungszahl der Umformergruppe wird aber eben durch die Drehung des Erregerfeldes gegenüber der Erregerwicklung der einen Synchronmaschine erreicht. Unter Synchronmaschinen sind hier alle Maschinen zu verstehen, deren Drehzahl durch die Frequenzen der Netze, an die sie angeschlossen sind, bestimmt, also unabhängig von der Belastung ist. Solche Maschinen sind z. B. auch die bekannten doppelt gespeisten Induktionsmaschinen.
Die Erfindung bezieht sich also auch auf Umformer, die aus einer solchen doppelt gespeisten Induktionsmaschine und einer Synchronmaschine bestehen.
Die konstruktive Ausführung der Vorrichtung, welche die Erregerstromstärke in den verschiedenen Phasen der Erregerwicklung regelt, ist auf verschiedene Arten möglich. Man kann z. B. die verschiedenen Phasen der Erregerwicklung an mehrere voneinander unabhängige Spannungsteiler oder Vorschaltwider-
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selbe sein.
Ein Ausführungsbeispiel hiefür zeigt die Fig. 1. In dieser Figur bedeuten und a2 die beiden miteinander gekuppelten Synchronmaschinen, b1 und b2 die beiden Wechselstromnetze, die durch die Umformergruppe miteinander verbunden sind, ssi und C2 die beiden Phasen der zweiphasig angenommenen Erregerwicklung, d, und d2 die beiden Spannungsteiler, die aus derselben Gleiehstromquelle, der Erregermaschine e, gespeist werden./i, yt und/s, ys sind die beiden Kontaktpaare, durch deren Bewegung die Stromstärke in und C2 verändert wird.
Die beiden Kontakte, die zu einer Phase der Erregerwicklung gehören, können gleichzeitig gegenläufig bewegt werden, es kann aber auch einer derselben in der Mitte des Spannungsteilers feststehen und nur der andere bewegt werden.
Es ist auch möglich, die verschiedenen Phasen der Erregerwicklung an einen gemeinsamen Spannungsteiler oder Vorschaltwiderstand anzuschliessen. Die Fig. 2 zeigt ein Beispiel hiefür. Die Buchstaben haben dieselbe Bedeutung wie in Fig. 1. An Stelle des Spannungsteilers sind hier Vorschaltwiderstände d angenommen, an welche die Kontaktbahnen für alle Kontakte/i, ,/s, angeschlossen sind.
In den bisherigen Beispielen müssen die Kontakte eine hin und hergehende Bewegung-von einem Ende der Kontaktbahn bis an das andere Ende und zurück-ausführen. Dies bedingt für jeden einzelnen Kontakt eine besondere Kontaktbahn. In Fig. 2 z. B. ist anzunehmen, dass jede der beiden gezeichneten Kontaktbahnen die Breite zweier Bürsten hat, so dass die Bürsten aneinander vorbei bewegt werden können. Dieser Nachteil kann vermieden werden, indem erfindungsgemäss die Stufen des Spannungsteilers oder der Vorschaltwiderstände an eine kreisförmige Kontaktbahn angeschlossen werden.
Ein Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 3. Die Buchstaben haben hier dieselbe Bedeutung wie in Fig. 1 und 2. Der Widerstand ist hier wieder als Spannungsteiler gekennzeichnet ; es ist aber natürlich auch hier möglich, die Verbindung zwischen je zwei oder drei benachbarten Kontakten, die von den Anschlussstellen der Erregermaschine e gleich weit entfernt sind, wegzulassen und dadurch aus dem Span-
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Anordnung alle in der gleichen Richtung im Kreislauf bewegt werden.
Eine besonders vorteilhafte Anordnung erhält man, wenn gleichen Verstellungen der Kontakte längs des Umfangs der Kontaktbahn auch gleich grosse Drehungen des resultierenden Feldes entsprechen. so dass man die Kontakte mit gleichförmiger Geschwindigkeit an der kreisförmigen Kontaktbahn entlang bewegen kann und dadurch auch eine gleichförmige Drehgesehwindigkeit des resultierenden Feldes gegen- über der Erregerwicklung erhält. Dies kann durch entsprechende Bemessung des Widerstandes der einzelnen Stufen erreicht werden. Bei der Anordnung nach Fig. 3 z.
B., jedoch mit Vorschaltwiderständen statt des Spannungsteilers, wird (r + ro)cosa = Const. sein müssen, wenn ru des Widerstand einer der Erregerwicklungen Ci oder C2 einschliesslich der Zuleitungen bedeutet und r den Widerstand zwischen dem Anschlusspunkt der Erregermaschine e und einem um den Winkel u. längs der Kontaktbahn davon entfernten Punkt.
In den bisherigen Ausführungsbeispielen war angenommen, dass die Spannungsteiler oder Vorsehaltwiderstände mit der Stromquelle fest verbunden sind, mit den zu speisenden Erregerwicklungen dagegen über verstellbare Kontakte. Falls die Widerstände als Spannungsteiler ausgebildet sind, ist auch die umgekehrte Anordnung möglich, d. h. die Spannungsteiler können auch mit den zu speisenden Erregerwicklungen fest verbunden sein, mit der Stromquelle dagegen über verstellbare Kontakte. Man erreicht dadurch unter Umständen eine Verminderung der Zahl der beweglichen Kontakte, da für den Anschluss der Stromquelle nur zwei Kontakte erforderlich sind, für den Anschluss der Erregerwicklung dagegen, je nach der Phasenzahl derselben, eine grössere Anzahl Kontakte.
Auch schwankt der von der Erregermaschine zugeführte Strom in viel weniger weiten Grenzen, als der Strom der in die Erregerwicklungen fliesst ; jedenfalls hat der erstere Strom stets die gleiche Richtung. Das Überschalten von einem Kontakt auf den anderen wird also erleichtert, wenn die beweglichen Kontakte den Strom der Erregermaschine führen.
Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel. Ci und C2 sind wieder die beiden Phasen der Erregerwicklung, d die Kontaktbahn mit den Widerständen, nur durch einen Kreis angedeutet, e die Erregermaschine, und h2 die beweglichen Kontakte, durch welche die Erregermaschine mit den Spannungsteiler-Widerständen verbunden ist.
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Bei der Anordnung nach Fig. 4 muss der Strom in jeder Stufe des Widerstandes beim Vorübergang eines der beweglichen Kontakte seine Richtung ändern, ähnlich wie in einer Ankerspule einer kommutierpnden Maschine. Auch bei den anderen bisher betrachteten Anordnungen treten jedenfalls Änderungen der Stromstärke in den einzelnen Stufen des Widerstandes auf. Man kann aber im vorliegenden Fall, im Gegensatz zur kommutierenden Maschine, die Kommutierungsspannung, so weit sie von der Selbstinduktion der Widerstandsstufe herrührt, sehr klein halten, indem man erfindungsgemäss jede einzelne Stufe des Widerstandes bifilar wickelt.
Im Falle der Anordnung mit kreisförmiger Kontaktbahn nach Fig. 3 oder 4 können die beweglichen Kontakte zu einer mechanischen Einheit verbunden und durch einen Hilfsmotor bewegt werden. Auch bei nicht kreisförmiger Kontaktbahn kann ein Hilfsmotor beispielsweise mit Kurbelübertragung verwendet werden.
Da die Geschwindigkeit, mit der die Kontakte bewegt werden müssen, nach den oben gegebenen Erläuterungen im wesentlichen von der zu übertragenden Leistung abhängig ist, so kann die Drehzahl
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Feldes bei gleichbleibender Drehgeschwindigkeit desselben die scheinbare (wattlose) Leistung der Umformergruppe beeinflusst werden. Eine Änderung der Grösse des Feldes ist aber durch eine Änderung der Spannung der Erregermaschine e möglich, und diese Änderung kann erfindungsgemäss ebenfalls durch eine selbsttätige Reguliervorrichtung, beispielsweise einen Schnel1regler bekannter Bauart, in Abhängigkeit von der wattlosen Leistung der Umformergruppe erfolgen.
Bei grossen Umformergruppen kann die Ausführung der Reguliervorrichtung, besonders der erforderlichen Kontakte und Kontaktbahnen, wegen der grossen zu schaltenden Ströme und Spannungen Schwierigkeiten machen. Diese Schwierigkeiten können erfindungsgemäss dadurch beseitigt werden, dass die verschiedenen Phasen der Erregerwicklung der Synchronmaschine aus besonderen Erregermaschinen gespeist werden und dass die Regelung der Drehgeschwindigkeit des resultierenden Feldes im Erregerstromkreis dieser Erregermaschinen erfolgt.
Die Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel hiefür. Es bedeuten wieder ar und a2 die beiden miteinander gekuppelten Synchronmaschinen, bl und b2 die beiden Wechselstromnetze, die durch die Umformergruppe miteinander verbunden sind, Ci und C2 die beiden Phasen der zweiphasig angenommenen Erregerwicklung. Diese beiden Wicklungsphasen werden hier aus zwei besonderen Erregermaschinen el und e2 gespeist, deren Erregerwicklungen il und i2 durch die Regelvorrichtung < < , bestehend aus Kontaktbahn und Spannungsteiler-oder Vorschaltwiderständen, mittels der beweglichen Kontakte/i,/z nnd ssi, geregelt werden. k ist die gemeinsame Stromquelle für die beiden Erregerwicklungen und i2.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur willkürlichen Leistungsübertragung zwischen zwei nicht starr miteinander verbundenen Wechselstromnetzen mittels zweier gekuppelter Synchronmaschinen, von denen mindestens
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in den verschiedenen Phasen der Erregerwicklung durch eine Reguliervorrichtung so geregelt wird, dass die Durchflutung bei im wesentlichen gleichbleibender Stärke die Richtung ihrer Achse gegenüber der Erregerwicklung ständig ändert.