Einrichtung zur Eizeugung von Wechselspannungen normaler Frequenz nlit Hilfe von mehrphasigen Spannungssystemen verschiedener Frequenz, die einander phasenweise überlagert werden. Es ist ein Verfahren zur Erzeugung von in ihrer Grösse periodisch veränderlicher, mehrphasiger Spannungen vorgeschlagen worden (Schweiz.
Patent Nr. 207 121), gemäss dem diese Spannungen durch phasenweise Reihenschaltung, das heisst durch Überlage rung von mehrphasigen Weehselspannungs- systemen verschiedener Frequenzen erzielt werden, wobei den einzelnen resultierenden Spannungen zusammengehöriger Systeme ein und dieselbe LTmgrenzungskurve gemeinsam ist.
Zur Erzeugung einer Wechselspannung normaler, das heisst in der Starkstromtechnik gebräuchlicher Frequenz, werden dann die mehrphasigen resultierenden Spannungen zwei Gruppen von gesteuerten Entladungs strecken zugeführt, die die Bildung der bei (len einphasigen Spannungshalbwellen über nehmen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht nun mit Flilfe dieses vorgeschlagenen Ver fahrens eine vorteilhafte Lösung eines seit langem bekannten und ohne technische Schwierigkeiten oder betriebliche Nachteile scheinbar nicht lösbaren Pioblems des Turbo generatorbaues. Vom Dampfturbinenbau hei besteht nämlich der Wunsch, zu höheren Drehzahlen überzugehen. Der Drehstrom generator für die übliche Frequenz von 50 Hz. kann nun aber höchstens für eine Drehzahl von 3000 Umdrehungen je Minute ausgeführt werden, da seine Polpaarzahl mindestens gleich 1 sein muss.
Bisher musste daher entweder die zum Antrieb von Generatoren bestimmte Dampf turbine mit einer für den Dampfturbinenbau ungünstigen Drehzahl ausgeführt oder auf eine unmittelbare Kupplung von Dampftur bine und Generator verzichtet und zwischen Dampfturbine und Generator ein Getriebe mit seinen bekannten Mängeln eingebaut werden.
Neuerdings ist nun zwar eine weitere Lö sung dieses Problems des Turbogenerator- Baues vorgeschlagen worden (Schweiz. Patent Nr. 206 514). Hiernach wird der mehrpha- sige Generator unmittelbar mit der sehr rasch laufenden Turbine gekuppelt, so dass die Ge- neratorfrequenz höher ist als die Frequenz des Verbrauchers. I?m den Generator der höheren Frequenz für die Speisung des Ver brauchers mit normaler Frequenz auszunut zen,
-erden nach dem vorgeschlagenen Ver fahren die von dem Generator erzeugten mehrphasigen Spannungen durch periodische .Änderung der Erregung so vorbereitet, da.ss nur noch eine gruppenweise Gleichrichtung notwendig ist, um Spannungen und Ströme der vom Verbraucher benötigten Frequenz und Kurvenform zu erhalten.
Dieses Ver.. fahren ermöglicht zwar die Erzeugung der gesamten Energie in einem einzigen Genera tor (bei einphasiger Ausgangsspannung, das heisst Verbraucherspannung), es hat aber den Nachteil, dass das Feld des Turbogenerators mit der Ausgangsfrequenz pulsiert. Infolge dessen muss der die Erregerwicli#lung tragende Teil des Generators aus lamelliertem Eisen ausgeführt werden. Dies ist eine Forderung, deren Erfüllung gerade bei 31aschinen mit. sehr hoher Drehzahl beispielsweise durch die auftretende Fliehkraft konstruktive Schwie rigkeiten mit sich bringt, die nicht ohne wei teres. zu überwinden sind.
Diese Nachteile werden gemäss der vorlie genden Erfindung durch Anwendung des erstgenannten Verfahrens auf das Gebiet der sehr rasch laufenden Turbogeneratoren von vornherein ausgeschaltet, und zwar dadurch, dass von den einander zu überlagernden Span nungen mindestens eine in einem rasch lau fenden Generator erzeugt wird, welcher in folge seiner höheren Drehzahl in der Stark stromtechnik nicht unmittelbar br cuclibare Spannungen höherer Frequenz liefert, wobei die Verbraucher mit den den Gruppen von Entladungsstrecken entnommenen Ausgangs spannungen normaler Frequenz gespeist wer den.
Die Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen veranschau licht. In Fig. 1 sind die beiden Generatoren 1 und 2 i,inniittelbar mit der Dampfturbine 3 gekuppelt. Die mehrphasige Spannung des Generators 1 ist mit der des Generators 2 phasenweise, das heisst Phase für Phase in Reihe geschaltet und über einen Transforma tor 4 den zwei Gruppen von Entladungs strecken 5 und 6 zugeführt, die den Trans formator 7 mit der Ausgangsspannung (der vorn Verbraucher benötigten Spannung) spei sen.
Bei der Ausbildung des Transformators 4 muss anf die Besonderheiten der Spannun gen in bekannter Weise durch die Schaltun- oder die Ausbildung der magnetischen Wege Rücksicht genommen werden. Die Generato ren 1 und 2 sind mit Gleichstrom erregt. Der die Erregerwicklung tragende Teil der Gene ratoren kann daher in normaler Weise mas siv ausgebildet sein.
Zur Erreichung des Erfindungszweckes müssen nun die beiden Generatoren 1. und 2 voneinander abweichende Frequenzen erzeu gen. Das mag im vorliegenden Fall durch die Wahl der Polpaarzahl erzielt sein. Bei spielsweise möge der Generator 1 die Fre- (pienz f, = 11111 bei einer Polpaa,rzahl von 1 erzeugen und der Generator 2 die Frequenz f.> = 200 bei einer Polpaarzahl von 2.
Die Ausgangsfrequenz ergibt sich dann nach der Formel
EMI0002.0046
Trotzdem ist es, wie das Beispiel zeigt. schon möglich, die die Generatoren 1 und 2 antrei bende Dampfturbine mit einer Drehzahl von 6000 U131in. laufen zu lassen.
Die in der Fig. 2 dargestellten Schaubil der zeigen das Zustandekommen der Aus bangsfrequenz bei dem in der Fig. 1 darge stellten Ausführungsbeispiel der Erfindung. El;" <B><I>Ei,),</I></B> E," sind die drei im Generator 1 erzeugten Phasenspannungen und E@", E.-b und E,. sind die drei im Generator 2 erzeug ten Phasenspannungen.
Die phasenweise statt findende Addition dieser Spannungen ergibt die resultierenden Phasenspannungen E"2", El,2b und E"2, mit der gemeinsamen Umgren- zungskurve H. Mit Hilfe der Entladungs strecken 5 und 6 erhält man dann die ein phasige Ausgangsspannung E von der Fre quenz f.
Dieses vorgenannte Beispiel lässt noch nicht in vollem Umfange die mit der Erfin dung erzielbaren Vorteile erkennen, denn, um eine Ausgangsfrequenz von gewünschter Grösse zu erzielen, ist es nicht erforderlich, die Dampfturbinen mit einer zu dieser Aus gangsfrequenz in einem festen Verhältnis ste henden Drehzahl zu betreiben. Wie ohne wei teres aus der oben angegebenen Beziehung für,die Frequenz f abzulesen ist, hängt die Frequenz f nur von der Differenz der ein zelnen Generatorfrequenzen ab. Dies ist be trieblich ausserordentlich wichtig.
Diesen Vorteil nützt die in der Fig. 3 veranschaulichte Ausführungsform der Er findung aus. Die beiden Generatoren 1 und 2 werden, ohne mechanisch miteinander ge kuppelt zu sein, einzeln angetrieben. Zu die sem Zweck können entweder zwei einzelne Dampfturbinen (3 und 3') vorgesehen sein oder man verwendet eine Ljungström-Tur- bine, deren einer Teil den einen Generator (1) und deren anderer Teil den andern Ge nerator (2) antreibt.
Man erkennt sofort die betrieblichen Vorteile einer solchen Anord nung, die darin bestehen, dass es nicht mehr auf die absolute Höhe der Drehzahlen der Dampfturbinen und der Generatoren an kommt, sondern nur noch auf das Einhalten der Frequenzdifferenz, um die gewünschte Frequenz der Ausgangsspannung konstant zu halten oder in gewünschtem Masse zu regeln. Das hat betrieblich den Vorteil, dass je nach der Belastung idie günstigste Höhe der Tur binendrehzahl gewählt werden kann.
Ferner ist es auf diese Weise möglich, sehr niedrige Frequenzen, beispielsweise für Anlassvor- gänge bei asynchronen Maschinen, herzustel len, ohne dass die Turbinendrehzahl wie bei den bisherigen Anordnungen gesenkt werden muss und die Generatoren infolge der gerin gen Drehzahl nicht mehr in oder Lage wären, genügende Spannung und Leistung abzuge ben.
Auf diese Weise kann man zum Bei spiel asynchrone Maschinen, gegebenenfalls ohne Widerstände im Läuferkreis oder Kas- kadenschaltung, unmittelbar durch Fre- quenzregelung anlassen und regeln, wobei die Frequenzregelung, wie bereits erwähnt, nur durch Regelung der Frequenzdifferenz erfolgt und nicht einmal die absolute Höhe der Drehzahlen wesentlich geändert zu wer den braucht.
Erreichbar ist eine beliebige niedrige Ausgangsfrequenz einfach durch Einstellung einer geringen Differenz der Frequenzen der einzelnen Generatoren. Damit ergibt die Erfindung auch noch neue Mög lichkeiten für die Regeleinrichtungen, die also nunmehr nicht mehr die einzelnen Fre quenzen, sondern nur noch idie Frequenzdif- ferenz entweder konstant zu halten oder in der jeweilig gewünschten Art und Weise zu regeln brauchen. Eine derartige Regelung ist sehr feinfühlig.
Die Regeleinrichtung kann im übrigen gewünschtenfalls in der Art eines Differentials ausgeführt werden.
Für praktische Anwendungsfälle, bei spielsweise zur Speisung von asynchronen Maschinen, wird man in der Regel den Wunsch haben, mehrphasige Ströme, insbe sondere Drehströme, zur Verfügung zu haben. Die bisher beschriebenen Ausführungsbei spiele zeigen nur die Erzeugung von einpha siger Ausgangsspannung.
Es soll (daher an Hand von weiteren Ausführungsbeispielen die Anwendung der Erfindung für zwei- und dreiphasige Leistungslieferung an den Ver braucher beschrieben werden, wobei die an sich bekannte Möglichkeit der Umwandlung. durch Hilfsschaltungen, wie beispielsweise die Scottsche. Schaltung, ausser Betracht blei ben soll. Im nachfolgenden wird ein Weg beschrie ben, in welcher Weise mehrphasige Aus- gangsspannungen mit Hilfe der Erfindung zu erzielen sind.
Für den vorliegenden Fall ist dieser Weg besonders wichtig, weil man hierbei ohne einen Mehraufwand an Maschi nen auskommt. In der Fig. 4 ist eine Anordnung zur Erzeugung von zwei aufeinander senkrecht stehenden Einphasenströmen dargestellt. Hierbei sind von den Generatoren 1 und 2 lediglich die induzierten Wicklungen ge zeichnet. In dem Generator 7 sind die Wick lungen a',, b'1, c', und a"1, b"1, c"" welche Spannungen der Frequenz f, erzeugen, an geordnet.
Entsprechend sind in dem Gene rator 2 die Wicklungen a,.,-, b'2, c', und a",, b"2, c% untergebracht, welche Spannungen der Frequenz f2 erzeugen.
Um zwei aufein ander senkrecht stehende Ausgangsspannun gen der Frequenz f zu erhalten, werden für das System der einen Phase L' die Wicklun gen a',, a'.. und b'" b'. und e',, c'_ in Reihe geschaltet und für das System der andern Phase V die Wicklungen a",, a"¯ und b",. b"-, und c",, c". in umgekehrter Richtung in Reihe geschaltet, wie dies die Für. 4 zeigt.
Dadurch wird erreicht, dass beim Nulldurch gang der Spannung E,- die Spannung E" ihr Maximum hat und umgekehrt, wie dies im einzelnen in der Fig. 5, welche die Erzeu gung von zweiphasigen Spannungen (in ähn licher Weise wie die Fig. 2 für einphasige Spannung) zeigt, unten (Zeitpunkt t) ver anschaulicht ist.
In der Fig. 5 bedeuten im übrigen E", E,,, und E", die in den Wick lungen a'" <I>b',,</I> c', und ri',, b",, c", des Gene- rators 1 erzeugten Spannungen, E_,,1, EA und E, die in den Wicklungen a'., b'-,
und e'_ des Generators 2 erzeugten Spannungen und E2a", E-b und E""" die in den Wicklungen a'2, b"@, c"-. des Generators ? erzeugten Spannungen.
Auch die Erzeugung eines dreiphasigen Systems R, <B><I>S</I></B><I>, T</I> ist nach dein gleichen Ver fahren durchzuführen. Hierbei unterschei det sich die Erfindung auch noch. vorteil haft gegenüber der eingangs erivälinten, be reits anderweitig vorgeschlagenen Lösung, da. bei der Erfindung kein dritter Generator benötigt wird.
Die Fig. 6 zeigt schematisch die Anord nung der Maschinen. Der Generator 1 wird von der Dampfturbine 3 und der Generator 2 von der Dampfturbine 3' angetrieben. Die Maschine 1 ist nur mit zwei Wicklungsster nen ausgerüstet, während die Maschine 2 mit sechs Wicklungssternen versehen ist. Der Einfachheit halber ist in der Fig. 6 jeweils nur die Hälfte dieser Wiclzlungssterne ge zeichnet.
Die Reihenschaltung der Wick lungssterne, sowie der Anschluss der Grup pen von Entladungsstrecken ist der Fig. 7 zu entnehmen. Für die Phase R sind die ein zelnen Spannungen zwischen dem Stern punkt o des Generators 1 und den drei finit r bezeichneten Wicklungsenden der Wick lungssterne des Generators 2 abgenommen und dem Ausgangstransformator der Phase R über die Entladungsstrecken 5, 6 zuge führt.
Entsprechend ist bei den Phasen ,S und T zu verfahren, so das sich eine An gabe der Verbindungslinien für die Phasen 8 und T in der Fig. 7 erübrigt.
In den Fig. 4 und 7 sind die Wicklun gen der Generatoren 1 und 2, welche die zti addierenden Spannungen erzeugen, unmittel bar in Reihe ge.sclialtet und den Entladungs strecken unmittelbar zugeführt.
Eine der artige unmittelbare Reihenschaltung könnte gewünschtenfalls auch bei dein in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel und ein unmittelbarer Anschluss der Reihenschaltung der Wicklungen an die Entladungsstrecken bei den in den Fig. 1 und 3 veranschaulich ten Ausführungsbeispielen durchgeführt werden.
Die Erfindung ist sell)st.verstän.dli.ch nicht auf die vorstehend beschriebenen und in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbei spiele beschränkt: sie kann vielmehr auch noch durch andere Ausführungsbeispiele ver wirklicht werden. Wesentlich ist hierbei lediglich, dass zur Ausnutzung der höheren Frequenzen rasch laufender Generatoren diese höheren Frequenzen derart überlagert werden, dass die resultierenden Spannungen eine Umgreriztingskurve von der gewünsch ten Frecliienz besitzen, und dass aus dieser Umgrenzungskurve durch Gruppen von Ent ladungsstrecken die beiden Spannungshalb wellen jeder Phasenspannung gewonnen wer den.
Auf die Steuerung der EAntladungsstrek- ken ist bisher nicht näher eingegangen wor den. Diese Verfahren sind aus der Umrich- tertechnik her bekannt. Es braucht daher nicht näher erläutert zu werden, wie die Aussteuerung der einzelnen Entladungs strecken vorgenommen werden muss, um auch die unmittelbare Blindleistungsliefe- rung an den Verbraucher zu ermöglichen. Für Belastungen mit wenig phasenverschobe nem Strom ist der Umrichter auch mit grup penweiser Aussteuerung der Entladungs strecken noch verwendbar.
Es kann für manche Anwendungszwecke vorteilhaft sein, diese Gruppensteuerung beizubehalten und für den Bezug grösserer Blindleistungsmen- gen Phasenschieber oder Kondensatoren auf der Verbraucherseite anzubringen.
Zur Spannungsregelung ist es zweck mässig, die Felder der Generatoren in glei chem oder angenähert gleichem Masse, bei spielsweise mit Hilfe der Reihenschaltung der Felderregerwicklungen der Generatoren, zu regeln.
Die erfindungsgemässe Einrichtung wird, wie bereits eingangs ausgeführt wurde, vor teilhaft in den Fällen angewendet, wo man aus antriebstechnischen Gründen, beispiels weise bei Verwendung hochtouriger Tur binen, die Generatoren für relativ hohe Frequenzen bauen russ, während die Ver braucher vorteilhafterweise mit relativ nied rigen Frequenzen betrieben werden sollen. Dabei und im folgenden werden Frequenzen in der Grössenordnung der üblichen Netzfre quenzen (etwa 50 Hz) als niedrigere Fre quenzen und 3- bis 20mal grössere Frequen zen als höhere Frequenzen bezeichnet.
Zur Verwirklichung der beschriebenen Erfindung können also zwei voneinander verschiedene Wege zur Ausnutzung des Schwebungssystems beschritten werden.
Nach dem ersten Weg werden die beiden verschieden polpaarigen Generatoren, deren addierte Spannungen das zur Frequenz erniedrigung erforderliche Schwebungssystem liefern, von einer gemeinsamen Antriebs maschine mit der gleichen Drehzahl angetrie- ben. Man erhält dann eine Anordnung, wie sie in Fig. 8 nochmals schematisch darge stellt ist. Die niedrige Frequenz, die auf der Ausgangsseite der Stromrichteranordnung er halten wird, sei mit fu bezeichnet.
Es gilt für sie die folgende Beziehung, bei der die Antriebsdrehzahl mit n und die Polpaarzah- len der Generatoren mit pci und pG2 bezeich net sind.
EMI0005.0023
Stellt man dieser Formel die Berechnung der Frequenz für einen normalen Generator ge genüber
EMI0005.0024
so sieht man, dass man bei diesem Verfahren durch die Anwendung der Frequenzerniedri- gung zwei Fortschritte erzielt hat: Die Generatoren können für praktisch beliebig hohe Frequenzen ausgelegt werden. Damit wird an Generatorgewicht gespart.
Gegenüber einem normalen Generator kann die Antriebsdrehzahl des elektrischen Masichinensatzes im Verhältnis 1 :2 erhöht werden, wenn man die gleiche Ausgangsfre quenz wie beim normalen Generator erhalten will. Setzt man nämlich f u = f , so erhält man
EMI0005.0032
Die Formel zeigt, dass die Drehzahlsteige rung nicht über das Verhältnis 1 : 2 getrie ben werden kann, da die Differenz der Pol paarzahl immer eine ganze Zahl und minde stens 1 ist.
Man könnte daran denken, eine verbes serte Einrichtung dadurch zu erhalten, dass man zur Erzeugung der beiden, die Schwe- bungen bildenden Spannungen ausser einem Generator einen oder 'zwei vom Generator gespeiste Drehwandler (Frequenzwandler zur Frequenzerhöhung benutzt. Man erhält in diesem Fall die in den Fig. 9 und 10 dar gestellten Anordnungen.
Abgesehen von dem Nachteil, dass bei den Drehwandlern die hochtourig umlaufenden Anker geblättert ausgeführt werden müssen, ergibt sieh auch elektrisch kein besonderer Vorteil, denn für die 3u sga.ngsfrequenz f t- der beiden Anlagen gelten die folgenden T'ormeln, bei denen im ersten Fall die \nordnung nach Fig. 9, im zweiten Fall die nach Fig. <B>10</B> zugrunde ge legt ist.
pn bedeutet jeweils die Polpaarzahl des oder der Drehwandler.
EMI0006.0015
Die hier störenden Beschränkungen hin sichtlich der Drehzahl bestehen bei den in den Fig. 3 und 6 dargestellten Einrichtun gen nicht, da. die beiden, die Schwebungs- spannungen erzeugenden Generatoren ge trennt angetrieben werden.
Die Einrichtun gen gemäss den Fig. 3 und 6 bieten jedo(-lr nicht unerhebliche Regelschwierigkeiten, be sonders wenn die erzeugten niederfrequenten Spannungen mehrerer solcher Maschinen gruppen parallel geschaltet werden sollen. Auch ausführungsmässig ergeben sich fair die Einzelgruppe Schwierigkeiten. Die Span nung eines normalen Generators ist propor tional seiner Drehzahl und seinem Erreger strom. Da die Drehzahl bei den üblichen Maschinenreglern mit der Belastung abfällt, so ändert sich auch die Spannung.
Es müs sen aber immer zur Durchführung des Schwe- bungSverfahrens die Spannungen zweier Ge neratoren gleichgehalten werden, damit die Nulldurchgänge der Sehwebungen sauber er halten bleiben.
hie Regelcharakteristik eines solchen ltlaschinensatzes, der beispielsweise aus zwei von den beiden Hälften einer Ljungström-Turbine angetriebenen getrenn ten Generatoren mit den zugehörigen L m richtergefässen und ihrer Steuci-ung besteht, ist dadurch gegeben, dass die Ausgangsfre quenz mit der Leistung abfällt oder ansteigt nach Massgabe der Differenz der Einzel- abfiille der beiden einzelnen Generatoren.
Fällt nun die Charakteristik des einen der beiden Generatoren wesentlich stärker als die des andern, so bleibt tats#liclilieh eine fal lende oder steigende Frequenzeharakteristik des Gesamtaggregates erhalten. Fallen je doch beide Charakteristiken ungefähr gleich stark. finit der Leistung ab, so bleibt die Aus gangsfrequenz des Gesarnta,ggregates prak tisch. beinahe vollkommen erhalten, da die Differenz der Frequenzen konstant ist.
Zwi schen beiden Fällen sind beliebige andere Fälle möglich. Aus all diesen Tatsachen ist zu ersehen, dass die Regelung dieser Maschi nen schon aus leistungstechnischen Gründen überaus schwierig zu beherrschen ist.
Da darüber liiriaus noch die Forderung der Span- nungsgleicliheit der beiden verschieden fre quenten Generatoren gestellt werden muss, ergeben sieh atlsserorderrtlieh schwierige Re- gelvorr-iclittirig@en für die Erregung der Ein zelgeneratoren.
Diese Schwierigkeiten einmal hinsichtlich der feststehenden Beziehungen zwischen den Drehzahlen und den Ausgangsfrequenzen und das andere Mal hinsichtlich der Rege hing können dadurch vermieden werden, dass die beiden Erzeuger für die die Schwebun gen bildenden Spannungssysteme durch rne- chaniselie ITntersetszungsgetriebe gekuppelt werden.
In diesem Falle scheidet die Lö- sung die beiden Spannungssysteme in zwei Einzelgeneratoren, ohne Verwendung von Drehwandlern zu erzeugen, deswegen aus, weil dann die Übertragung der halben Aus gangsleistung über das mechanische Getriebe erforderlich wäre. Die Anwendung eines Drehwandlers bietet vielmehr hier besondere Vorteile, da hierbei von der mit erhöhter oder erniedrigter Frequenz abgenommenen Leistung nur ein geringer Teil mechanisch zugeführt, der Hauptanteil aber transforma- torisch übertragen wird.
Fig. 11. zeigt eine entsprechende Einrich tung. Der Generator 1 wird von der Tur bine 3 mit der sehr hohen Drehzahl na an getrieben. Er gibt einen Teil seiner Leistung unmittelbar zur Speisung der Stromrichter- anlage und einen andern Teil zur Erregung eines Drehwandlers 8 ab, der über ein me chanisches Getriebe 9 mit der wesentlich er niedrigten Drehzahl nD unter nur geringer Zufuhr mechanischer Leistung angetrieben wird.
Für die vom Generator 1 abgegebene Frequenz f(;, sowie für die vom Drehwand- ler gelieferte Frequenz fD ergeben sich die folgenden Formeln, bei denen auch gleich die Ausgangsfrequenz entsprechend der hal ben Differenz von Generator- und Dreh- wandlerfrequenz bestimmt ist.
EMI0007.0018
In diesen und den folgenden Formeln be deuten in Übereinstimmung mit den Bezugs zeichen der Fig. 11 nG die Turbinen- bezw. Generatordrehzahl, nD die Drehzahl des Drehwandlers,<B>f c,</B> die Ausgangsfrequenz des Generators 1, f D die Ausgangsfrequenz des Drehwandlers 8, nD . pD = 0 f D die Frequenz änderung im Drehwandler 8 und f u. die Aus gangsfrequenz am Stromrichter.
Man erkennt aus der letzten Formel, dass die ) usgangsfrequenz f U lediglich durch die Drehzahl und die Polpaarzahl des Dreh- wandlers bestimmt ist. Sofern mau die Drehzahl nD mit Hilfe des Untersetzungs- getriebes wesentlich gegenüber der Drehzahl nG herabsetzt, besteht die Möglichkeit, den Drehwandler mit drei oder, wenn dies er wünscht ist, mit noch mehr Polpaaren auszu führen.
Die dem Drehwandler mechanisch zuzu führende Leistung verhält sich zu der Aus gangsleistung des Drehwandlers wie die Fre- quenzänderung im Drehwandler zur Aus gangsfrequenz des Drehwandlers. Dies ist in der folgenden Formel dargestellt:
EMI0007.0043
Es ergibt sich somit für den Aufbau einer solchen Anlage folgendes: Bei gegebener Antriebsdrehzahl der Tur bine ist es zweckmässig, den Generator für möglichst hohe Frequenz, den Drehwandler dagegen mit einer möglichst grossen Polpaar zahl und möglichst geringer Drehzahl aus zuführen.
Durch diese beiden Massnahmen wird er reicht, dass nicht nur das Generator- und Drehwandlergewicht klein bleiben, sondern dass auch die dem Drehwandler mechanisch zuzuführende Leistung klein bleibt. Damit kommt man mit einem kleinen Getriebe aus, das infolgedessen beispielsweise auch ein Schneckenradgetriebe sein kann.
In der Fig. 11 ist die Einrichtung ledig lich schematisch veranschaulicht. Ergänzend sei daher noch darauf hingewiesen, dass für jedes Umrichterverfahren zur Erzeugung beider niederfrequenter Halbwellen immer zwei Wicklungen erforderlich sind, die ge rade um<B>180</B> versetzte Spannungen führen. Es ist daher für den Schwebungsumrichter eine Wicklungsaufteilung erforderlich.
Diese kann entweder im Drehwandler. und Genera tor oder in zwei festen Transformatoren, die mit den beiden schwebungsbildenden Fre quenzen betrieben werden, oder in einem mit den Sehwebungsspannungen unmittelbar be- triebenen Transformator vorgenommen wer den.
Durch einmalige Abgleichung aller Übersetzungsverhältnisse lä.sst sich erreichen, dass für eine vorgeschriebene Drehzahl die Ausgangsspannung der gesamten Anlage einfach mit der Erregung des Generators, der gegebenenfalls eine kondensatorerregte Asynchronmaschine (Kurzschlussläufer) sein kann, geregelt werden kann.
Die Anforde rung, dass die zur Schwebungsbildung die nenden verschiedenfrequenten Spannungs systeme gleich gross sein müssen, ist dabei immer erfüllt, da die vom Drehwandler ge lieferte frequenzerhöhte Spannung immer proportional der erregenden Spannung ist, welche gleichzeitig Generatorspannung und erste Schwebungsspannung ist. Für eine vor geschriebene Drehzahl lässt sich also die ganze Spannungsregelung wie üblich am Generator allein durchführen.
Die Regelung der Ausgangsfrequenz des Gesamtaggregates kann auf zwei verschie denen Wegen durchgeführt werden. Einmal lässt sich die Drehzahl des Gesamtaggrega tes regeln. Damit fällt und steigt bei festem Übersetzungsverhältnis des Drehwandler- getriebes auch die Ausgangsfrequenz. Die Regelcharakteristik des Aggregates ist also durch die Drehzahl-Leistungseharakteristik der Antriebsturbine gegeben. Der zweite, vorteilhaft zusätzlich verwendete Weg ist die Änderung der Übersetzung des Getrie bes, das den Drehwandler antreibt.
Ein Ge triebe mit veränderlichem Übersetzungsver hältnis lässt sich an dieser Stelle um so eher verwenden, als ja nur ein Bruchteil der Ge samtleistung des Aggregates durch das Ge triebe übertragen wird. Vorteilhafterweise wird man kleine Frequenzänderungen, bei spielsweise im Bereich zwischen den einzel nen Getriebestufen, durch Änderungen der Antriebsdrehzahl und grosse Frequenzände- rungen durch Änderung des Übersetzungs verhältnisses im Getriebe vornehmen.
Zu diesen ganzen Regelfragen der Fre quenz erhebt sich die Frage, wie weit bei Regelvorgängen und länger dauernden Ab- weichungen der Drehzahlen und Überset zungsverhältnisse die Forderung der Gleich heit der sehwebungsbildenden Spannungen erfüllt bleibt. Solange das Übersetzungsver hältnis des den Drehwandler antreibenden L ntersetzungsgetriebes unverändert bleibt, ist auch die Forderung der Gleichheit der schwebungserzeugenden Spannungen voll kommen erfüllt, denn bei unveränderter Er regung des Hauptgenerators ändern sich alle Spannungen drehzahlproportional.
Lediglich eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses des den Drehwandler antreibenden mechani schen Getriebes bewirkt eine Abweichung. Die Ausgangsspannung des Drehwandlers setzt sich aus zwei Komponenten zusammen, nämlich einmal dem Spannungsanteil, der bei Stillstand des Drehwandlers transformato- risch übertragen werden würde, und das an dere Mal aus der zusätzlichen Spannung, die durch die Drehung des Wandlers in den Wicklungen hervorgerufen wird.
Diese zii- sätzlielre Spannung ist aber ausserordentlich gering, solange durch die Drehbewegung dem Drehwandler eine Leistung zugeführt wird, die klein ist gegenüber der Leistung, die durch den Drehwandler hindurchgeleitet wird, das heisst solange die dem Drehwand- ler mechanisch zugeführte Leistung gegen über der dem Drehwandler elektrisch zuge führten Leistung klein ist. Da das der Fall ist, so ist auch die im Drehwandler durch die Rotation veranlasste Spannungserhöhung klein.
Nur diese kleine Spannungsvergrösse- rung ändert sich aber mit einer Änderung des Übersetzungsverhältnisses des den Dreh- wandler antreibenden mechanischen Getrie bes. Daraus ergibt sich, dass die Forderung der Gleichheit der schwebungserzeugenden Spannungen auch dann erfüllt ist, wenn das System durch die Änderung des mechani schen Übersetzungsverhältnisses verstimmt wird.
Es ist also klar, dass man bei der be schriebenen Einrichtung auf teure Span nungsregeleinrichtungen (.Stufenschalter an den Wicklungen oder dergleichen) verzichten kann, und dass es genügt, die kleinen Span nungsangleichungen durch induktive oder hapa.zitive Widerstände bezw. Zusatzbela stungen in den hochfrequenten Kreisen vor zunehmen.
Als Regelinduktivitäten kann man bei spielsweise gleichstrommagnetisierte Drosseln vorsehen, bei denen durch besondere Drei phasenschaltungen die entsprechenden Ober- @vellen weitgehend durchgesiebt werden. Die Gleichstrommagnetisierung der Drosseln kann hierbei selbsttätig und trägheitslos von einem Messglied beeinflusst werden, das auf die Differenz der beiden schwebungsbilden- den Spannungen (Effektivwerte) anspricht.
Wie oben bereits ausgeführt wurde, kön nen mehrphasige resultierende Spannungen dadurch gebildet werden, dass jeder Phasen strang mindestens eines der beiden Genera toren in eine Anzahl von Teilsträngen unter teilt wird, die der Zahl der gewünschten Phasen der resultierenden Spannung ent spricht, und dass paarweise je zwei den bei den Generatoren angehörige Teilstränge der art in Reihe geschaltet werden, dass die bei den überlagerten Spannungskomponenten in jedem Teilstrangpaar gegenüber einem an dern Paar eine bestimmte Phasenverschie bung aufweisen, damit die gewünschte Pha senverschiebung der resultierenden Spannun gen in Erscheinung tritt.
Hiernach verwendet man beispielsweise, wie Fig. 1.2 zeigt, für die Erzeugung einer zweiphasigen resultierenden Spannung zwei Einphasengeneratoren, deren Phasenstränge in zwei Teilstränge a1, b, bezw. a., b, auf geteilt sind und schaltet den einen Teilstrang der ersten i laschine mit einem Teilstrang der zweiten 3Tasehine gleichsinnig, den an dern Teilstrang der ersten Maschine aber mit dem andern Teilstrang der zweiten Maschine in umgekehrter Richtung in Reihe,
so dass die Wellen der beiden Spannungskomponen ten des einen Teilstrangpaares gegenüber dem andern um<B>180'</B> verschoben sind und --ich daraus zwei resultierende Spannungen ergeben, die nur eine Phasenverschiebung von :"0 gegeneinander aufweisen, also einen Zweiphasenstrom erzeugen, der den Anoden des Umrichters zugeführt wird.
An der Wir- kung wird auch nichts geändert, wenn man in diesem Fall die beiden Teilstränge nur eines der beiden Generatoren entsprechend Fig. 15, z. B. des Generators 2, zu einem einzigen Strang doppelten Querschnittes ver einigt.
In ähnlicher Gesetzmässigkeit kann man eine resultierende dreiphasige Ausgangsspan nung erhalten, wenn die Phasenstränge von zwei Drehstromgeneratoren hoher Drehzahl in drei Teilstränge unterteilt werden und je Phase jeder Teilstrang des ersten Generators mit einem Teilstrang solcher Phase des zwei ten Generators in Reihe geschaltet wird, dass die resultierenden Spannungen die gewollte Phasenverschiebung aufweisen. Auch hier können erforderlichenfalls bei einem der bei den Drehstromgeneratoren diejenigen Teil stränge, welche vom Nullpunkt ausgehen, zu einem gemeinsamen Strang grösseren Quer- schnittes zusammengefasst werden.
Der vorstehend beschriebenen Massnahme '' liegt der Gedanke zu Grunde, die der ge wünschten Phasenzahl der resultierenden Spannung entsprechende Zahl von Teilsträn gen, welche zu einem Phasenstrang gehören, bei jedem Generator in eine gemeinsame Nut zu legen, obgleich dort in bezug auf die aus den überlagerten beiden Komponenten resul tierenden Ströme in den einzelnen Nuten Phasenunterschiede bestehen.
Die Zulässig keit dieser gemeinsamen Einschliessung der Teilstränge in eine Nut beruht auf der Er kenntnis, dass sich relativ zu den Wicklun gen jedes Generators die Wirkung der bei den Wicklungen des andern heraushebt, weil vom letzteren, wie am deutlichsten Fig. 12 erkennen lässt, die eine mit, die andere gegen seine Wicklungen geschaltet ist. Es ergibt sich also der grosse Vorteil, dass bei der be schriebenen Wicklungsanordnung der Ein fluss der resultierenden Ströme auf den In duktor praktisch ausscheidet und keine Ober wellen durch -sie entstehen.
Die Rückwir kung ist also bei dem Aggregat nach Fig. 12 nicht grösser als bei einem normalen Ein phasengenerator, bei Anwendung von zwei Drehstromgeneratoren nicht grösser als bei einem normalen Drehstromgenerator, denn auch dort verhalten sich die ausgleichenden gegenseitigen Einflüsse ebenso.
Wicklungstechnisch lässt sich nun dieser Gedanke besonders zweclzniässig dadurch ver ivirklichen, dass man in beiden Fällen, das heisst sowohl bei den Einphasengeneratoren nach Fig. 1?, als auch bei Drelistroingener@i- toren die Teilstränge in einer Zweiscbicht- wicklung zusammenfasst.
Im ersten Fall kann dieses entsprechend Fig. 13 dadurch geschehen, dass jede Schicht der Zweiscliiclit- wiclflung aus einem Leiter oder einer Spu- lenseite besteht und in jeder Nut, die eine Schicht dem einen Teilstrang cc, bezw. a_, die andere dem andern Teilstrang <I>b,</I> bezw. b.@ angehört,
wobei in aufeina.nderfolgenden Nu ten die Zugehörigkeit der beiden Schichten zu den beiden Teilsträngen wechselt. Dieses setzt eine 1@'ichlung finit Diametralschritt= und gerader Nutenzabl je Pol und Pliase voraus.
Will mau jedoch von dieser Be- sehränlzung befreit sein, also eine ZS'idrlung erhalten, welche für beliebigen 'Wiekelschritt und beliebige Anzahl von Nuten je Pol und Phase ausführbar ist,
so benutzt man für die Einphasengeneratoren eine Zweischicht- wieklung gemäss der Anordnung nach Fig. 1d. Hier besteht jede Schicht der Zwei schiehtwickleng aus zwei übereinanderlie- genden Leitern oder Spulenseiten, welche den beiden Teilsträngen a, und b, bezw. a; und<B><U>b..</U></B> zugeteilt sind.
Je Nut ist dann die Zugehörigkeit der beiden Leiter oder Spu- lenseiten zu den beiden Teilsträngen in der einen Schicht gegenüber der andern ver tauscht. Wenn gemäss Fig, 1.5 bei dem einen Generator die Teilstränge zu einem einzigen Strang doppelten Querschnittes vereinigt sind, so werden die Teilstränge des andern in gemeinsame Nuten gelegt, \ohne dass da durch an der gegenseitigen Kompensation der Rüelzwirkung etwas Geändert wird.
Für Drehstromgeneratoren ver,\,endet: man eine Zweisehichtwie.klung, wie sie Fig. 16 zeigt. Dort enthält jede Schicht drei übereinanderliegende Leiter oder Spulensei- ten, welche den drei Teilphasensträngen a" b,, cl bezw. cl_" 0_, c, zugeordnet sind,
und je mit ist die Zugehörigkeit der drei Leiter oder Spulenseiten zu den drei Teilphasen strängen in der einen Schicht gegenüber der andern vertauscht=. Werden zwei vom Null punkt ausgehende @reilstränGe des einen Drebstronigenerators zii einem Teilstrang grösseren Querscbriit,tes vereinigt., so kann man diesen rriit, dein getrennt.
bleibenden dritten Teilstrang geringeren Querschnittes in jenem einen Generator ebenfalls in die selbe Nitt legen und beide Teilstränge auch als Zweiscliichtwicklung ausführen.
Im Zusammenhao,g mit Fig. 12 wurde ausgeführt, ilass hei de=r Erzeugung einer z-,veiphasigen resultierenden Spannung die Wirkungen der Oberströme kompensiert wer den, wenn die Teilstränge im Ständer der beiden Mascliirien je in einer gemeinsamen Nut, liegen. .Ebenso würde ein solcher Aus- gleich auch bei ,
jeder andern Phasenzahl der resultierenden Spannung in Erscheinung tre ten, lwenn die Zahl der Teilstränge entspre chend gc\välilt Lind sinngemäss jeder Teil- strang der einen finit einem der an dern in Reibe, geschaltet wird.