DE526298C - Asynchronmaschine mit Kommutatorhintermaschine - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 4. JUNI 1931

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 d² GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 19. Juni 1927 ab

Bei Asynchronmaschinen ist man in der letzten Zeit darangegangen, mittels Kommutatorhintermaschinen die Charakteristik in bestimmter Weise zu verändern, und zwar entweder derart, daß die einmal eingestellte Leistung der Asynchronmaschine sich nicht mehr ändert, gleichgültig mit welchem Schlupf die Maschine läuft, oder auch derart, daß die Leistung in einer bestimmten einstellbaren Abhängigkeit zum Schlupf steht. Die erstgenannte Aufgabe wird grundsätzlich' dadurch gelöst, daß mittels der Kommutatorhintermaschine in den Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine zwei Spannungen eingeführt werden, von denen die eine bei jedem Schlupf gleich ist der in der Sekundärwicklung der Asynchronmaschine induzierten Spannung und diese aufhebt, während die zweite Spannung vom , Schlupf unabhängig ist und den sekundären

Belastungsstrom erzeugt. Zur Lösung der zweiten Aufgabe kann man mittels der Kommutatorhintermaschine eine einstellbare Spannung erzeugen, die ständig einen bestimmten Bruchteil der Sekundärspannung der Asynchronmaschine beträgt und diese im Verhältnis dieses Bruchteils aufhebt. Der verbleibende Rest der Sekundärspannung erzeugt dann den Belastungsstrom. Derartige Asynchronmaschinen können z. B. Verwendung finden bei der Kupplung zweier Wechselstromnetze mittels eines Synchron-Asynchron-Umformers, wobei die Asynchronmaschine dieses Umformers und die mit ihr verbundene Kommutatorhintermaschine dafür sorgen, daß die von einem auf das andere Netz übertragene Leistung bei gegenseitigen Frequenzschwankungen konstant bleibt oder auch in einem bestimmten, beliebig einstellbaren Verhältnis sich ändert.

Eingehende Untersuchungen haben gezeigt, daß die gestellten Aufgaben in der oben geschilderten Weise noch nicht befriedigend gelöst werden können, weil im Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine und in den Stromkreisen der Kommutato'rhintermaschine verschiedene Nebeniumstände sich bemerkbar machen, die eine Regelung der Asynchronmaschine in der vorbeschriebenen Weise verhindern. Zunächst wird infolge der magnetischen Streuung durch den sekundären. Belastungsstrom der Asynchronmaschine eine Streuspannung erzeugt, die erstens dem Strom selbst proportional ist und zweitens der Schlupffrequenz, und die, da sie durch keine Gegenspannung aufgehoben ist, die Größe des Belastungsstromes in unerwünschter Weise ändert. In gleicher Weise weicht auch bei ständeerregten Kommutatorhintermaschinen die Kommutatorspannung der Hintermaschine· von ihrem Sollwert um einen dem Quadrate der Schlüpfung proportionalen Wert ab, sofern die Kommutatorhintermaschine, wie dies

*) Von dem Patentsucher sind als die Erfinder angegeben worden: Dr. Ing. e. h. Morit^ Schenkel und Dr.-Ing. Michael Liwschit\ in Berlin-Charlottenburg.

meistens der Fall ist, mit der asynchronen Vordermaschine mechanisch gekuppelt ist und daher nicht mit genau konstanter Drehzahl läuft. Ein weiterer Störungsfaktor entsteht d&nn, wenn- man die Erregerwicklung im Ständer der Kommutatorhintermaschine zwecks Erregung mit einer dem Schlupf pn> portionalen Spannung an die Schleifringe der asynchronen Vordermaschine anschließt. In ίο diesem Falle weicht die Spannung an den Schleifringen der Asynchronmaschine infolge des durch den Belastungsstrom hervorgerufenen Ohmschen Spannungsabfalles von dem Sollbetrage ab. Speist man die Erregerwicklung der Kommutatorhintermaschine über Hilfsschleifringe von einer Hilfswicklung im Sekundärteil der Vordermaschine, so ist zwar der schädliche Einfluß des Ohmschen Spannungsabfalles beseitigt, es bleibt aber noch die gegenseitige Induktion der sekundären Hilfsund Hauptwicklung, wodurch die Streuspannung der Hauptwickking auf die Hilfswicklung übertragen wird. Es ist ferner erforderlich, der Schlupffrequenz führenden Erregerwicklung der Kommutatorhintermaschine zwei Spannungen zuzuführen, von denen die eine proportional mit dem Erregerstrom anwächst und den Ohmschen Spannungsabfall in der Erregerwicklung deckt, während die zweite gegenüber der ersten um. 90⁰ verschobene Spannung einerseits proportional mit dem Erregerstrom, andererseits proportional mit der Schlüpfung anwächst und den induktiven Spannungsabfall in der Erregerwicklung aufhebt. Wird die Erregerwicklung nicht genau in dieser Weise gespeist, dann tritt eine unzulässige Verschiebung der Phase des Erregerfeldes ein.

Die Erfindung betrifft eine Schaltung im Sekundärkreis einer Asynchronmaschine und in den Erregerstromkreisen der angeschlossenen Kommutatorhintermaschine, die alle die geschilderten Haupt- und Nebenerfordernisse berücksichtigt, so daß eine vollkommene Regelung der Asynchronmaschine entweder auf konstante Leistung unabhängig vom Schlupf oder auf in Abhängigkeit vom Schlupf beliebig einstellbare Leistung erreicht wird. Die Kommutatorhintermaschine ist dabei entweder mit der Asynchronmaschine selbst oder mit einer besonderen Belastungsmaschine gekuppelt. Ihre Schlupffrequenz führende Erregerwicklung im Ständer wird in an sich bekannter Weise in Hintereinanderschaltung von einem vom Netz gespeisten Frequenzwandler und, zweckmäßig über einen Regeltransformator, von einer proportional mit der Schlüpfung anwachsenden, insbesondere vom Sekundärteil der asynchronen Vordermaschine gelieferten Schlupfspannung gespeist. Erfindungsgemäß ist zur Aufhebung des induktiven Spannungsabfalls in der Erregerwicklung der Kommutatorhintermaschine ein zweiter Frequenzwandler vorgesehen, der auf seiner Schlupffrequenz führenden Seite von der Sekundärwicklung eines in den Erregerstromkreis der Hintermaschine eingeschalteten Stromtransformators gespeist wird und dessen Netzfrequenz aufweisende Spannung dem ersten Frequenzwandler, zweckmäßig über einen Transformator, zugeführt ist. Zur Aufhebung der durch den sekundären Belastungsstrom der Asynchronmaschine erzeugten Streuspannungen dient ein zweiter Stromtransformator, der einerseits in den Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine, anderseits in den Erregerstromkreis der Kommutatorhintermaschine eingeschaltet ist. Wenn die Kommutatorhintermaschine mit der Hauptmaschine mechanisch gekuppelt ist, so kann der den zweiten Frequenzwandler speisende Stromtransformator in der Phase so eingestellt sein, daß die von diesem Transformator in den Erregerstromkreis der Hintermaschine eingeführte Spannung außer dem induktiven Spannungsabfall der Erregerwicklung auch die durch die Drehzahländerungen der Hintermaschine bedingten störenden Abweichungen ihrer Kommutatorspannung vom Sollbetrag aufhebt. Von den beiden Frequenzwandlern besitzt mindestens der eine eine Kompensationswicklung.

Sofern die dem Schlupf proportionale Spannung von einer Hilfswicklung im Sekundärteil der Asynchronmaschine geliefert wird, ist zur Aufhebung der von der sekundären Hauptwicklung herrührenden, auf die Hilfswicklung induktiv übertragenen Streuspannung ein dritter Stromtransformator vorgesehen, der einerseits in den sekundären Hilfsstromkreis der Asynchronmaschine, andererseits in den Erregerkreis der Kommutatorhintermaschine eingeschaltet ist. Dieser Stromtransformator wird überflüssig, wenn der Erregerkreis der Kommutatorhintermaschine statt an eine Hilfswicklung an die Sekundärwicklung einer mit der Hauptmaschine synchron laufenden, primär vom Netz erregten Hilfsasynchronmaschine angeschlossen ist.

In der Zeichnung ist die neue Anordnung an zwei Beispielen veranschaulicht. Es handelt sich um die Kupplung eines einphasigen 16²/₃ periodigen Bahnnetzes 1 mit einem normalen Drehstromnetz 2 von 50 Perioden. Es ist dazu in Abb. 1 ein Einphasen-Synchrongenerator 3 und mit diesem gekuppelt eine im Ständer dreiphasige Asynchronmaschine 4 vorgesehen. Die Läuferwicklung der Asynchronmaschine ist zweiphasig ausgeführt, in jede Phase ist eine einphasig ausgebildete Kommutatorhintermaschine 5 und 6 eingeschaltet. Die beiden Kommutatorhinterma-

schinen sind mit der Hauptmaschine 4 mechanisch gekuppelt. Sie besitzen im Ständer je eine Kompensationswicklung 7 und eine Erregerwicklung 8. Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit des Schaltungsschemas sind für die Stromkreise der einzelnen Maschinen dreierlei Strichstärken gewählt. Der vom sekundären Belastungsstrom der Asynchronmaschine 4 durchflossene Stromkreis ist stark, der Erregerstromkreis der Kommutatorhintermaschine mittelstark, die übrigen Erregerund Hilfsstromkreise sind schwach ausgezogen.

Die Stromkreise der Erregerwicklungen 8 der Hintermaschinen sind elektrisch leitend nur an den Kommutator des Frequenzwandlers 9 angeschlossen. Der Frequenzwandler 9 wird seinerseits über die beiden Transformatoren T₄ und T₆ vom Netze aus gespeist. Der Frequenzwandler 9 besitzt im Ständer eine Kompensationswicklung 10; außerdem wird sein Läuferfeld nicht ausschließlich von den Schleifringen aus mit Netzfrequenz erzeugt, sondern es ist im Ständer noch eine Erregerwicklung 11 vorgesehen, die in Parallelschaltung von den Bürsten des Frequenzwandlers mit Schlupffrequenz führendem Strom gespeist wird. Man erreicht dadurch eine wesentliche Verringerung des den Schleifringen zugeführten Magnetisierungsstromes, so daß auch die vorgeschalteten Regeltransformatoren T₄ und T₅ klein ausfallen. In den Stromkreis der Hilf serregerwicklung 11 sind noch Ohmsche Widerstände 12 eingeschaltet, um eine Gleichstromselbsterregung am Frequenzwandler zu vermeiden. Die beiden Transformatoren T₄ und T₅ sind in an sich bekannter Weise derart geschaltet, daß sie zwei Spannungen erzeugen, die aufeinander senkrecht stehen und die unabhängig \^Toneinander geregelt werden können. Die eine dieser Spannungen dient zur Erzeugung einer bestimmten Leistung an der Maschine 4, wahrend die zweite auf die Phasenkompensation der Maschine 4 einwirkt.

Zur Einführung einer dem Schlupf proportionalen Spannung in die Erregerstromkreise der Kommutatorhintermaschinen ist ein regelbarer Transformator T₇ vorgesehen, der primär an Hilfsschleifringe 16 an der Maschine 4 angeschlossen ist, sekundär in die Erregerstromkreise eingeschaltet ist. Die Hilfsschleifringe 16 sind an eine nicht gezeichnete Hilfswicklung im Sekundärteil der Maschine 4 angeschlossen. Je nach der Einstellung des Transformators T₇ kann über die Kommutatorhintermaschinen die Sekundärspannung der Maschine 4 ganz oder teilweise aufgehoben werden.

Zur Aufhebung des induktiven Spannungsabfalles in den Erregerwicklungen 8 der Hin termaschinen dient ein zweiter Frequenzwandler 13, dieser wird von einem primär in die Erregerstromkreise der Hintermaschinen eingeschalteten zweiphasigen Stromtransformator T₁ mit Schlupffrequenz gespeist. Die Netzfrequenz aufweisende Spannung des Frequenzwandlers 13 ist über den einstellbaren Transformator T₀ dem Frequenzwandler 9 und damit den Erregerwicklungen 8 zugeführt. Da sowohl der induktive Spannungsabfall in den Erregerwicklungen 8 als auch die Sekundärspannung des Transformators T₁ einerseits proportional dem Strom in den Wicklungen 8, andererseits proportional dem Schlupf ist, so kann die über den Frequenzwandler 13 eingeführte Spannung den induktiven Spannungsabfall in den Erregerwicklungen 8 ständig aufheben, falls die Phase und Größe dier eingeführten Spannung richtig eingestellt ist, was mittels der Bürsten am Frequenzwandler 13 bzw. mittels des Transformators T₈ leicht erreicht werden kann.

Die beiden Frequenzwandler 9 und 13 werden von der Hauptmaschine 4 über ein ins Schnelle übersetzendes Zahnradgetriebe 20 angetrieben, so daß sie infolge Verringerung der Polzahl'sehr klein ausfallen.

Die Spannung des Stromtransformators T₁ kann noch dazu benutzt werden, die durch die Drehzahländerungen der Kommutatorhintermaschinen bedingten Abweichungen ihrer Kommutatorspannungen vom Sollbetrag zu kompensieren, da auch diese Abweichungen einerseits proportional der Drehzahländerung, also dem Schlupf, andererseits proportional der Stärke des Erregerfeldes bzw. des Erregerstromes in den Wicklungen 8 sind. Der Transformator T₁ ist zweckmäßig als Drehtransformator ausgebildet, so daß man die Phasenlage seiner Sekundärspannung leicht derart einstellen kann, daß sie sich aus zwei aufeinander senkrechten Komponenten zusammensetzt, von denen die eine den induktiven Spannungsabfall in den Wicklungen 8 deckt, die zweite den Einfluß der Drehzahländerungen der Kommutatorhintermaschinen ausgleicht.

Zur Aufhebung des Einflusses der durch den Belastungsstrom hervorgerufenen Streuspannungen im Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine 4 dient der Stromtransformator T₂, der einerseits in. diesen Sekundärstromkreis, andererseits in den Erregerstromkreis der Hintermaschine eingeschaltet ist.

Die von den Schleifringen 16 entwickelte Spannung weicht noch insofern von ihrem Sollbetrage ab, als die in der sekundären Hauptwicklung entwickelte Streuspannung durch Induktion auch auf die Hilfswicklung übertragen ward. Um diesen Einfluß zu beseitigen, ist ein Stromtransformator T₃ vor-

gesehen, der einerseits in den Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine, andererseits in die primären Zuleitungen des Transformators T₇ eingeschaltet ist.
Die Anordnung nach Abb. 2 der Zeichnung deckt sich im wesentlichen mit der nach Abb. i, es sind jedoch folgende Umänderungen vorhanden: Die Transformatoren T. und T₃ in Abb. 1 sollen die durch den Belastungsstrom hervorgerufenen Streuspannungen einerseits in der sekundären Hauptwicklung der Maschine 4, andererseits in der an die Schleifringe 16 angeschlossenen Hilfswicklung aufheben. Die beiden Transformatoren wirken also einander entgegen, und sie können durch einen einzigen Transformator ersetzt werden, der in die Erregerstromkreise der Kommutatorhintermaschinen Spannungen einführt, die gleich sind der Differenz der von den Transformatoren T₂ und T₃ (Abb. 1) eingeführten Spannungen. Diese Aufgabe wird in Abb. 2 durch den Transformator T₂ erfüllt, der in derselben Weise wie der Transformator T₂ der Abb. 1 geschaltet, j edoch entsprechend anders bemessen ist.

Der Transformator T₂ der Abb. 2 ist zweckmäßig regelbar ausgebildet. Dies ist deshalb erwünscht, da von den beiden Spannungen, die der Transformator T₂ aufhebt, die eine, nämlich die Streuspannung in der sekundären Hilfswicklung der Maschine 4, durch Änderung der Übersetzung am Transformator T_T ebenfalls geändert wird, während die Streuspannung in der sekundären Hauptwicklung der Maschine 4 dadurch nicht beeinflußt wird. Bei der Änderung der Übersetzung am Transformator T₇ wird daher zweckmäßig der Transformator T₂ neu eingestellt. Dies ist jedoch, namentlich wenn die Änderung der Übersetzung am Transformator T₇ nur gering ist, nicht unbedingt notwendig.

Der Transformator T₇ der Abb. 1 ist in Abb. 2 als regelbarer Spartransformator ausgebildet, außerdem sind in die Erregerstromkreise der Kommutatorhintermaschine noch regelbare Ohmsche Widerstände 14 eingeschaltet. Diese Ohmschen Widerstände haben zweierlei Aufgaben zu erfüllen. Da der induktive Spannungsabfall in den Erregerwicklungen 8 mittels des Transformators T₁ und des Frequenzwandlers 13, wie. geschildert, aufgehoben ist, so haben die von den Regeltransformatoren T₄, T₅ und T₇ zu Hefernden Spannungen nur den Ohmschen Spannungsabfall in den Stromkreisen der Erregerwicklungen 8 zu decken. Dieser Ohmsche Spannungsabfall ist aber sehr gering, so daß sich sehr kleine Regelspannungen an den Transformatoren ergeben, wodurch eine sichere und feinstufige Regelung sehr erschwert wird. Der Spannungsabfall in den Ohmschen Widerständen 14 vergrößert nun die zu regelnden Spannungen an den Transformatoren T₄, T₅ und T₇ in beliebig starkem Maße, so daß die geschilderten Nachteile vermieden sind. Außerdem können die Ohmschen Widerstände 14 selbst als Regehviderstände ausgebildet sein. Man kann dann die von den Schleifringen 16 gelieferte Spannung sowohl am Transformator T₇ als auch an den Widerständen 14 regeln. Am Transformator T₇ wird zweckmäßig die Grobregelung, an den Widerständen 14 die Feinregelung durchgeführt. Selbstverständlich könnte man aber auch den Transformator T₇ überhaupt weglassen und die Regelung der von den Schleifringen 16 gelieferten Spannung nur mittels der Widerstände durchführen.

Die Transformatoren T₁, T₂ und T₃ der Abb. ι und 2 sind zweckmäßig als rückwirkungslose Transformatoren ausgebildet, so daß sie zwar die geforderten Spannungen in ihre Sekundärstromkreise einführen, daß hingegen eine Rückwirkung des Sekundär stromes auf den primären Stromkreis im wesentlichen nicht stattfindet. Die Transformatoren besitzen dann z. B. einen großen Luftspalt, so daß sie auch große Magnetisierungsströme aufnehmen. Zur Einstellung der richtigen Phase der verschiedenen Spannungen können die genannten Transformatoren außerdem als Drehtransformatoren ausgebildet sein, wobei die Aufhebung der Rückwirkung durch Vergrößerung des Luftspaltes in besonders einfächer Weise erreicht wird.

Statt des Kommutatorfrequenz wan dlers 13 und des Transformators T₁ kann man auch eine gewöhnliche Asynchronmaschine verwenden, die in derselben Weise wie der Frequenzwandler 13 mit der Maschine 4 gekuppelt ist. Die Ständerwicklung dieser Asynchronmaschine ist dann in die Stromkreise der Erregerwicklungen 8 eingeschaltet; ihre mit Netzfrequenz induzierte Läuferwicklung speist über Schleifringe den Transformator T₆. Diese Asynchronmaschine wirkt dann gleichzeitig als Stromtransformator und als Frequenzwandler.

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   i. Asynchronmaschine mit Kommutatorhintermaschine, deren Schlupffrequenz führende Erregerwicklung in Hintereinanderschaltungvon einem vom Netz gespeisten Frequenzwandler und, zweckmäßig über einen Regeltransformator, von einer proportional mit der Schlüpfung anwachsenden, insbesondere vom Sekundärteil der lao asynchronen Vordermaschine gelieferten Schlupfspannung gespeist wird, dadurch

   gekennzeichnet, daß zur Aufhebung des induktiven Spannungsabfalles in der Erregerwicklung (8) der Kommutatorhintermaschine (5, 6) ein zweiter Frequenzwandler (13) vorgesehen ist, der auf seiner Schlupffrequenz führenden Seite von der Sekundärwicklung eines in den Erregerstromkreis der Hintermaschine eingeschalteten Stromtransformators (T₁) gespeist wird und dessen Netzfrequenz führende Spannung dem ersten Frequenzwandler (11), zweckmäßig über einen Transformator (T₆), zugeführt wird, und daß ferner zur Aufhebung der durch den sekundären Belastungsstrom der Asynchronmaschine erzeugten Streuspannungen ein zweiter Stromtransformator (T₂) vorgesehen ist, der einerseits in den Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine,

   ao anderseits in den Erregerstromkreis der Kommutatorhintermaschine eingeschaltet ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1 zur Aufhebung der induzierten Streuspannung in der die Erregerwicklung der Kommutatorhintermaschine speisenden, im Sekundärteil der Asynchronmaschine angeordneten Hilfswicklung, gekennzeichnet durch einen dritten Stromtransformator (T₃, Abb. 1), der einerseits in den Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine, anderseits in den Stromkreis der Hilfswicklung eingeschaltet ist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite und der dritte Stromtransformator durch einen einerseits in den Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine, anderseits in den Erregerstromkreis der Kommutatorhintermaschine eingeschalteten und zweckmäßig regelbaren Stromtransformator (T₂, Abb. 2) ersetzt sind.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der beiden Frequenzwandler mit einer Kompensationswicklung ausgerüstet ist.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Kommutatorhintermaschine mit der Asynchronmaschine mechanisch gekuppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der den zweiten Frequenzwandler (13) speisende Stromtransformator (Tj) in der Phase seiner Sekundärspannung (z. B. infolge Ausbildung als Drehtransformator) derart eingestellt ist, daß dem ersten Frequenzwandler (9) auch eine Spannung zugeführt wird, welche die durch die Drehzahländerungen der Kommutatorhintermaschine (5, 6) bedingten Änderungen ihrer Kommutatorspannung aufhebt.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Stromtransformatoren als rückwirkungslose Transformatoren oder als rückwirkungslose Drehtransformatoren ausgebildet sind.
7. 7. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß statt des zweiten Frequenzwandlers (13) und des ihn speisenden Stromtransformators (T₁) eine Hilfsasynchronmaschine vorgesehen ist, deren Schlupffrequenz führende Wicklung in den Erregerstromkreis (8) der Kommutatorhintermaschine eingeschaltet ist, während die Spannung der Netzfrequenz führenden Wicklung dem erstgenannten Frequenzwandler (9) zugeführt ist.
8. 8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 7 zur Vergrößerung der speisenden Regelspannungen, gekennzeichnet durch zweckmäßig regelbare Ohmsche Widerstände (14) im Stromkreis der Erregerwicklung (8) der Kommutatorhintermaschine.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen