DE552545C - Asynchrongenerator fuer gleichbleibende Spannung und Frequenz bei veraenderlicher Drehzahl mit einem aus zwei Maschinen bestehenden Doppelkollektor-Frequenzumformer als Hintermaschine - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
14. JUNI 1932

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

JVi 552545 KLASSE 21 d² GRUPPE

als Hintermaschine

Patentiert im Deutschen Reiche vom 30. Mai 1928 ab

Die Asynchronkaskade mit Kollektorfrequenzumformer ist eine Einrichtung, deren Verwendung zur Regelung der Umlaufsgeschwindigkeit von Induktionsmotoren unter Aufrechterhaltung eines guten Leistungsfaktors bekannt ist.

Abb. ι stellt den Kollektorfrequenzumformer C in seiner einfachsten Form mit drei Schleifringen B und drei Dreiphasenbürsten M dar. Er ermöglicht ohne weiteres keine Regelung der Sekundärspannung, die an die Schleifringe D des Induktionshauptmotors A gelegt wird. Man muß vielmehr einen Transformator mit Anschlüssen T oder andere Einrichtungen zu Hilfe nehmen, die eine Veränderung der an die Schleifringe des Kollektorfrequenzumformers gelegten Spannung ermöglichen.

Man hat vornehmlich folgende, in Abb. 2 dargestellte Mittel vorgeschlagen:

Man verwendet als Kollektorfrequenzumformer C eine Maschine mit sechs Bürstenleitungen M. Diese Bürstenleitungen führen zu sechs Schleifringen D des Asynchronhauptmotors, und zwar sind je zwei gegenüberliegende Kommutatorbürsten mit Schleifringen verbunden, die mit den Enden der gleichen Phase des Läufers des Asynchronmotors in Verbindung stehen. Man kann den Winkel zwischen diesen gegenüberliegenden Bürsten und damit die Größe der Spannung zwischen den Bürsten regeln. Diese Spannung ist proportional der Größe der Sehne t\, i'₂, welche diese Bürsten verbindet. Die Spannung ist zwischen zwei gleichen Werten mit entgegengesetzten Vorzeichen t_lt t., und t₂, t_x regelbar, die man durch Kreuzung der Bürsten erhält. In dem Augenblick, in dem sich die Bürsten kreuzen, ist die Spannung Null.

Eine andere, in Abb. 3 gezeigte Lösung besteht darin, den Kollektorfrequenzumformer in zwei Dreiphasenmaschinen C₁, C₂ zu trennen, die für dieselbe Vektorspannung Oi₁, Oi₂ eingerichtet sind und deren Kollektoren für den halben Strom gebaut sind. Es kommt auf dasselbe heraus, wenn man die Bürsten auf den beiden Kollektoren oder die beiden Sätze auf dem gemeinsamen Kollektor verstellt; die Spannung schwankt gemäß der Resultierenden der beiden Vektoren t\, t\.

Nach der Erfindung wird diese Kaskadeneinrichtung mit einer besonderen Ausführung

des doppelten Kollektorfrequenzumformers angewendet, um einen Kollektorasynchrongenerator für veränderliche Geschwindigkeit zu erhalten.

Man hat, um Generatoren mit gleichbleibender Frequenz und veränderlicher Geschwindigkeit zu erhalten, bereits die Verwendung von Asynchrongeneratoren in Kaskadenschaltung mit Synchronmaschinen oder ίο Nebenschlußkollektormaschinen oder die Verwendung von Kollektorgeneratoren vorgeschlagen, die durch Frequenzwandler erregt werden.

Eine solche Maschine benötigt man zum Beispiel bei einer Wasserkraftanlage mit veränderlicher Wassermenge. Angenommen, die Geschwindigkeit· der Turbine schwankt z. B. im Verhältnis 1 : 2, und man will die mechanische Energie in elektrische Energie von gleicher Spannung und Frequenz umwandeln. Zu diesem Zweck verwendet man die Kaskadenregulieranordnung in dem Teil ihres Diagramms, welcher dem Lauf als Generator entspricht. Ohne etwas an den Anschlüssen als Motor zu ändern, treibt man die Einrichtung mit einer Geschwindigkeit an, die über der Leerlaufgeschwindigkeit liegt, welche dem Lauf als Motor entsprechen würde. Die Einrichtung arbeitet dann als Generator auf das Netz. Die Drehmomentdrehzahlcharakteristik des Generators kann parallel zu sich selbst verschoben werden, wie C₁, C₂, C₃, C₄ in Abb. 8 zeigt. Man erhält dann durch die Schnittpunkte mit der Drehmomentdrehzahlo5 kurve der Turbine die verschiedenen gewünschten Drehzahlen W₁, H₂, n_s, M₄.

Man kann auch die Punkte dieser verschiedenen Charakteristiken C₁, C₂, C₃, C₄ verwenden, die mit den sich durch verschiedene Öffnungen des Wassereinlaßventils ergebenden Turbinendrehmomentdrehzahlcharakteristiken t_t, t₂, t_s, t_i zusammentreffen. Man verwendet dann einen einzigen Punkt jeder Charakteristik I₁, U, t_a, t_it und zwar den, bei dem die Turbine am besten arbeitet. Man erzielt diese Verschiebung der Generatorcharakteristik, indem man die relative Stellung der zwei Bürstensätze auf günstigste Art verändert, um außer der gewünschten Geschwindigkeit auch den besten Leistungsfaktor zu erzielen. Die Geschwindigkeit hängt fast ausschließlich von der Größe der Spannung zwischen gegenüberliegenden Bürsten und der Leistungsfaktor von der Phase dieser Spannung ab.

Um dieses Ergebnis beim Lauf als Generator zu erhalten, ist es zweckmäßig, Größe und Phase der resultierenden Spannung, die an die Schleifringe der Induktionshauptö« maschine gelegt wird, nach folgendem Gesetz zu verändern (Abb. 4):

Bei Synchronismus muß die resultierende Spannung ob eine bestimmte Größe und Richtung haben, welche ungefähr die durch den Magnetisierungsstrom im Läufer verursachten Spannungsabfälle deckt. Bei größerer Geschwindigkeit muß die resultierende Spannung oa in einem bestimmten Verhältnis vergrößert und um ungefähr 80 ° verschoben sein. Schließlich muß bei niedriger Geschwindigkeit die resultierende Spannung bei oa' ungefähr symmetrisch zu oa sein. Bei den dazwischenliegenden Geschwindigkeiten muß die Spitze des Vektors der resultierenden _7g Spannung auf der Kurve aba' wandern.

Eine solche Veränderung kann man durch Verwendung von verstellbaren, in Reihe geschalteten Dreiphasendoppelbürstensätzen mit phasenweise diametral gegenüberliegenden Bürsten und eine symmetrische Verstellung dieser Doppelbürstensätze jedes Kollektors erzielen, wobei man sich zweier Kollektorfrequenzumformer bedient, die für wenig verschiedene Vektorspannungen Lf₁ und U₂ eingerichtet sind, deren Größe durch Gleichungen bestimmt ist.

U₁ + U₂ = oa U₁+U₂ = ob

In Abb. 5 seien OM₁ = U₁ und oiu = U₂ die beiden Vektor spannungen.

Wenn die zwei Spannungen in der senkrechten Achse der Abbildung liegen, so ist die Resultierende

ou = OM₁ -^f- OM₂

Wenn man die beiden Vektoren um einen gleichen Winkel α in entgegengesetztem Sinne verschiebt, verändert sich die resultierende Spannung ou nach Größe und Phase.

Für α gleich 90 ° werden die beiden Vektoren entgegengesetzt und die Resultierende erhält den Wert

OM Z=U₁ U₂

Das vorstehend angegebene Gesetz der Verschiebung ist also gut verwirklicht.

Es sei bemerkt, daß dieses Verschiebungsgesetz bei der Arbeitsweise als Motor nicht zutrifft, weil der Leistungsfaktor und das Moment für Verschiebungen über einen größeren Winkel als ct=i6o° unannehmbar werden. Die Maschinen werden dann schlecht ausgenutzt, weil man die Geschwindigkeit nur so lange verändern kann, als die Spannung, für die sie gebaut sind, es zuläßt.

Die Anwendung eines doppelten Kollektorfrequenzumformers, der durch zwei Maschinen gebildet wird, die nur hinsichtlich der Größe der Vektorspannung um ein weniges

voneinander abweichen, bereitet keinerlei Schwierigkeit, da ein einziger Transformator mit zwei Sekundärwicklungen jeden der beiden Schleifringsätze des Umformers speist. Diese Einrichtung gestattet, die Bürsten auf den beiden Kollektoren in dem gleichen Sinne und mit der gleichen Geschwindigkeit zu verstellen, wodurch die Steuerung der Bürstenhalterläufer beträchtlich vereinfacht

ίο wird. Man kann mittels zweier gleicher Spannungen ein passendes Gesetz der resultierenden Spannung erhalten, indem man die beiden Bürstensätze unsymmetrisch, d. h. also um verschiedene Winkel \^rerstellt. Hierzu ist jedoch eine verwickelte Steuervorrichtung mit Kurven oder einem Lenkgestänge und einer Kurbel erforderlich, da die Bürstensätze für zwei verschiedene Geschwindigkeiten zweimal die gleiche Stellung einnehmen müssen.

In Abb. 6 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

A stellt den Asynchrongenerator dar, dessen Schleifringe!) mit den KollektorenM₁,M₂ der beiden Kollektorfrequenzumformer C₁, C₂ derart verbunden sind, daß die beiden Durchmesserspannungen I₁, to, t\, i'o in Reihe geschaltet sind. Die Schleifringe JS₁, JS₂ jedes Kollektorfrequenzumformers werden durch getrennte Sekundärwicklungen eines Transformators T gespeist.

Es sei außerdem bemerkt, daß die Maschine bei großer Geschwindigkeit unter ungünstigen Bedingungen in der Nähe ihres Abfallmomentes arbeitet. Sie ist für eine merkliche Überlastung nicht geeignet.

Die Erfindung hilft diesem Übel dadurch ab, daß eine Selbstinduktion in die Stromzuführungsleitung der Schleifringe des Doppelumformers eingefügt wird, um eine günstige Charakteristik des Momentes bis zur größten Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Abb. 7 stellt die Anordnung dieser Selbstinduktion dar. Der Maschinensatz ist demjenigen der Abb. 6 gleich. Eine Selbstinduktion L ist mit der Primärwicklung des Speisetransformators T der Kollektorfrequenzumformer in Reihe geschaltet.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Asynchrongenerator für gleichbleibende Spannung und Frequenz bei veränderlicher Drehzahl mit einem aus zwei Maschinen bestehenden Doppelkollektor-Frequenzumformer als Hintermaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden den Kollektorfrequenzumformer bildenden Maschinen untereinander wenig verschiedene Vektorspannung aufweisen und mit in Reihe geschalteten, mit den Schleifringen des Generators verbundenen, gegeneinander verstellbaren Dreiphasendoppelbürstensätzen versehen sind, bei denen die Bürsten jeder Phase diametral gegenüberliegen.

2. Asynchrongenerator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung der Schleifringe der beiden Umformer durch einen Transformator mit doppelter Sekundärwicklung erfolgt.

3. Asynchrongenerator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erweiterung des Geltungsbereiches in die Primärseiten des Transformators eine Selbstinduktion eingeschaltet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen