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Verfahren und Einrichtung zur Änderung der Charakteristik von Kaskaden.
Bei Wechsel-oder Drehstromanlagen werden neuerdings für elektromotorische Antriebe, besonders für grössere Leistungen, Kaskaden verwendet, die aus einem Induktionsvordermotor und einer Kommutatorhintermaschine bestehen. Es ist bekannt, solche Kaskaden dadurch in der Drehzahl zu regeln, dass eine in den Schlupfstromkreis durch die Kommutatormaschine eingeführte Spannung den
Schlupf des Vordermotors erhöht oder erniedrigt. Bei solchen Antrieben stört häufig die Eigeneharakteristik des Maschinensatzes. Liegt z. B. Nebenschlusscharakteristik vor, so ist eine solche Charakteristik ungünstig, wenn vorhandene Schwungmassen zur Abgabe von Energie herangezogen und Stösse von dem Maschinensatz ferngehalten werden sollen.
Man hat hiefür Kompoundierungseinrichtungen vorgesehlagen, die mit Hilfe eines Kompoundierungstransformators im Schlupfstromkreis eine zusätzliche drehzahlregelnde Spannung erzeugen. Solche Einrichtungen sind jedoch an sich schon kompliziert und wirken nicht beim Durchgang durch den Synchronismus. Hiefür sind weitere komplizierte Maschinen und Schaltapparate erforderlich, welche in ihrer Gesamtheit derart umfangreich werden, dass die schliesslich erzielbaren Möglichkeiten einer Kompoundierung den Anschaffungspreis nicht mehr aufwiegen.
Unsere Erfindung betrifft ein neues Verfahren und Einrichtung zur Kompoundierung von Kaskaden, die den Vorzug der Einfachheit, Justierbarkeit und des geringen Energieverlustes haben. Die Einrichtungen für dieses Verfahren können auch in vorhandene Anlagen nachträglich eingebaut werden.
Erfindungsgemäss erhält die Kaskade eine besondere (Drehstrom-oder Wechselstrom) erregermaschine, deren Feld von einer von der Drehzahl des Hauptmotors abhängigen Spannung beeinflusst wird.
Ein Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 1. Nach Fig. 1 ist der Asynchronmotor 4 mit der Kommutatormaschine 5 mechanisch gekuppelt. Diese wird über Schleifringe von der Drehstromerregermaschine 6 erregt, die durch den Synchronmotor 7 angetrieben wird. Die Maschine 6 wird mit Gleichstrom erregt.
Die Kupplung zwischen den Maschinen 6 und 7 ist verstellbar und wird so eingestellt, dass im Kommutator der Maschine 5 eine Spannung entsteht, die in Phase mit der Rotorspannung des Hauptmotors ist. Nunmehr kann durch Änderung der Erregung der Maschine 6 in bekannter Weise die Drehzahl des Asynchronmotors 4 geregelt werden.
Nach der Erfindung wird nun die Gleichstromerregung der Maschine 6 nicht allein von einer Gleichstromquelle 8 gespeist, sondern in Reihe zu dieser die Spannung einer Gleichstromdynamo 9, die mit dem Asynchronmotor 4 mechanisch gekuppelt ist, geschaltet. Die Maschine 9 wird so erregt, dass ihre Spannung der Spannung des Netzes 8 entgegenwirkt. Bei bestimmter Drehzahl der Hauptmaschine heben sich die beiden Spannungen auf und die Gleichstromerregerwicklung der Maschine 6 ist in diesem Falle stromlos.
Bei Änderung der Drehzahl der Hauptmaschine dagegen wird die Maschine 6 je nachdem, ob die Drehzahl fällt oder steigt, in einem oder anderm Sinne erregt, so dass die Hauptmaschine 4 über die Hintermaschine 5 zusätzlich zu der Rotorsehlupfspannung eine ebenfalls von der Drehzahl abhängige Zusatzspannung im Rotorkreise erhält. Durch Änderung der Erregung der Dynamo 9 mit Hilfe des Reglers 10 und durch Änderung des Vorschaltwiderstandes 1/kann sowohl die Leerlaufdrehzahl als auch der Drehzahlabfall bei Belastung beliebig eingestellt werden. Ein besonderer Vorteil gegenüber
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des Vorsehaltwiderstandes n erreicht werden kann, dass die Hauptmaschine in gewissen Grenzen konstante Leistung aufnimmt oder als Generator abgibt.
Die Maschine 9 kann weiterhin noch eine Zusatzerregung erhalten, die von irgendeiner Betriebsgrösse, z. B. dem Erregerstrom der Maschine 5 abhängig gemacht wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Erfindung ist in Fig. 2 gegeben. In Übereinstimmung mit Fig. 1 findet sich hier wieder der Asynchronmotor 4, die Kommutatormaschine 5, die Drehstrom- erregermaschine 6, der sie antreibende Synchronmotor 7 und die das Feld beeinflussende Hilfsmaschine 9.
Diese Anordnung wird nun so eingestellt, dass die von der Drehstromerregermaschine 6 auf die Schleifringe der Kommutatormaschine 5 gelieferte Spannung entweder in der gleichen Richtung wirkt wie die Rotorspannung des Hauptmotors oder umgekehrt, u. zw. je nachdem, ob die Anordnung über-oder
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die gegeneinander geschaltet werden. 9 sitzt auf der Welle des Asynchronmotors 4 und 12 auf der Welle des Synehronmotors 7. Für den Fall, dass die Synchrondrehzahl der Asynchronmaschine gleich der des Synchronmotor 7 ist, werden die Maschinen 12 und 9 einander gleich. Die wirksame Erregung für die Erregermasehine 6 ist also als Resultante der beiden Spannungen der Maschinen 9 und 12 gegeben.
Die Vorteile einer solchen Anordnung gehen aus den Diagrammen 3-7 ohne weiteres hervor. Zunächst ist es klar, dass man durch Wahl der Spannungen der Maschinen 12 und 9 und der magnetischen und elektrischen Verhältnisse der Maschine 6 dem Proportionalitätsfaktor der neu eingeführten Spannung einen bestimmten Wert geben kann. Die Regelwiderstände in den Erregermase. hinen 9 und 12 dienen dazu, zunächst die einzelnen Spannungen in ihrem Absolutbetrage und hiedurch den Proportionalitätsfaktor zu verändern.
Im Diagramm 3 ist zunächst der Fall behandelt, dass die Schlupfspannung des Rotors 4 und die Hilfsspannung einander entgegengesetzt gerichtet sind und der Proportionalitätsfaktor der Hilfsspannung kleiner als der der Schlupfspannung ist. a ist die Rotorspannung, b die Hilfsspannung, c die resultierende Spannung. Als Abszisse sind die Drehzahlen bzw. Sehlüpfungen aufgetragen. Vernaeh- lässigt man den Induktionswiderstand des Rotorstromkreises, so ist der Rotorstrom und damit das vom Hauptmotor abgegebene Moment proportional der resultierenden Spannung c.
Ist nun zur Aufbringung eines bestimmten Momentes oder des hiefür erforderlichen Stromes eine resultierende Spannung im Rotor von der Grösse u erforderlich, so wird bei normalem Betrieb der Motor bis zur Drehzahl n1 abfallen, bei der die Rotorspannung den erforderlichen Wert u erreicht hat. Bei der Anordnung nach der Erfindung aber, bei der die resultierende Spannung c auftritt, wird der Wert u erst bei n2 erreicht, der Motor muss also weiter abfallen, um das gleiche Moment abgeben zu können. Für den Fall. dass die Maschine 5 als Hintermotor ebenfalls ein Moment abgibt, wird die für ein bestimmtes Moment notwendige Spannung
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ab.
In Fig. 4 ist der Fall gezeigt, dass die Maschine 9 stärker als die Maschine 12 erregt ist, so dass die Drehzahl, bei der die Maschine 9 die gleiche Spannung erzeugt wie die Maschine 12, von der synchronen abweicht. Man erkennt, dass die Hilfsspannung b schon bei untersynchroner Drehzahl n4 zu Null wird und ferner, dass die Leerlauf drehzahl Kg, bei der die resultierende Spannung c zu Null werden muss, sich im übersynchronen Bereich befindet. Die Neigung der Graden a und b kann durch Änderung der Erregung der beiden Gleichstrommaschinen 9 und 12 geändert und damit jeder gewünschte Schlupf bei Belastung erreicht werden.
Umgekehrt kann bei Schwächung der Erregung der Maschine 9 der Punkt n, in den übersynchronen und der Punks nain den untersynehronen Bereich verlegt werden.
Zwei Sonderfälle zeigen die Diagramme 5 und 6, bei denen die resultierende Spannung c der Ab- szissenachse parallel wird. In Diagramm 5 liegt n4 im untersynchronen, in Diagramm 6im Übersynchronpn Bereich. Im ersten Falle ist die vom Hauptmotor aufgenommene Leistung und das von ihm abgegebene Moment bei allen Drehzahlen konstant. Wenn die Maschine 5 nur eine Erregerleistung von den Schleifringen erhält, so ist auch die gesamte an der Welle abgegebene Leistung konstant, das Moment verläuft abhängig von der Drehzahl nach einer Hyperbel und man erhält eine Anordnung mit reiner Reihenschluss- charakteristik. Im Falle der Fig. 6 wird der Hauptmotor eine wieder bei jeder Drehzahl konstante Leistung ins Netz abgeben.
Diese Eigenschaft kann zur Stillegung von grossen Schwungrädern benutzt werden, wobei die aufgespeicherte Energie dann wenigstens zum Teil zurückgegeben wird.
In Fig. 2 zeigen die Hilfsdynamo 9 und 1. 2 Fremderregungen. Dies ist jedoch nicht notwendig ; man kann jede der Regeldynamos auch mit Selbsterregung oder mit gemischter Erregung, z. B. mit Kompounderregung ausstatten. Diagramm 7 zeigt den Fall, dass die Maschine 9 Selbsterregung hat und nur vom Synchronismus aus gepuffert wird. a ist die Rotorspannung, b die Hilfsspannung, die infolge der Selbsterregung der Maschine 9 eine gekrümmte Charakteristik erhält, c ist die resultierende Spannung. Man sieht, dass diese zuerst ziemlich steil verläuft, sodann aber durch die Wirkung der Hilfsspannung abgeflacht wird. Dies ist vorteilhaft bei Antrieben, die starken und plötzlichen Belastungsschwanlungen unterworfen sind, z. B. bei Walzenstrassen.
Hier kann zunächst bei geringer Belastung, um den Antrieb voll ausnutzen zu können, ein geringer Drehzahlabfall erwünscht sein. Erst wenn die Belastung über ein gewisses Mass steigt, wird man zur plötzlichen Entladung der Schwungmassen eine flachere Form der Charakteristik anwenden und dieser Forderung trägt die Kurve nach Diagramm 7 Rechnung.
Um die Regelung auch den schwersten Bedingungen eines stossweise erfolgenden Betriebes anzupassen, kann man sogar eine Unstetigkeit der Clarairteristik dadurch erzielen, dass man dem Feld der
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Erregermaschine bei einer bestimmten Belastung, in Abhängigkeit von den Betriebszuständen des Netzes oder des Antriebes, einen erhöhten Erregerstrom aufdrückt, indem man z. B. durch einen Eilregler oder durch Stromrelais, die Widerstände im Erregerstromkreis kurzschliesst, also die Erregerspannung der Gleichstrommaschine 9 (nach Fig. 1) plötzlich verstärkt.
Ein Ausführungsbeispiel für diesen letzten Fall zeigt Fig. 8. In dieser Figur bedeutet 13 den Hauptmotor und 16 die mit ihm gekuppelte Hilfsdynamo, deren Spannung dem Feld der nicht gezeichneten Erregermaschine zugeführt wird. Die Anordnung des Satzes kann z. B. nach Art der Fig. 1 vervollständig werden. Die Einrichtung nach der Erfindung besteht in einem Regler 14, der von einem Stromtransformator in den Zuleitungen des Hauptmotors beeinflusst wird und den Widerstand 15 im Erregerfeld der Dynamo 16 bei Überschreitung eines gewissen Betrages ändert. Abgesehen von dieser Beein-
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des Satzes bestimmt. Durch eine solche Anordnung kann eine Regelung unter weitgehendster Berück- sichtigung auch der schwierigsten Verhältnisse von Pufferantrieben erfolgen.
Die Erfindung gestattet auch Anwendung auf ständererregte Drehstromhintermaschinen beliebiger Art sowie auf Gleichstromregelsätze, ganz gleich, ob die Regelsätze mit mechanisch oder elektrisch gekuppelter Hintermaschine versehen sind.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Änderung der Charakteristik einer Kaskade, bestehend aus Induktionsvorder- maschine und Kommutatorhintermaschine, die von einer besonderen Erregermasehine erregt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Feld der Erregermaschine von einer von der Drehzahl des Hauptmotors abhängigen Spannung beeinflusst wird.