DE555780C - Anordnung zum Betrieb eines Asynchrongenerators mit Kommutatorhintermaschine, welchem die Erregerenergie mindestens teilweise ueber einen Frequenzumformer von einem Hilfssynchrongenerator zugefuehrt wird - Google Patents

Description

Jede an ein Netz gegebener Frequenz angeschlossene, durch eine Kommutatorhintermaschine erregte (bzw. geregelte) Asynchronmaschine arbeitet bekanntlich als Generator, S wenn ihre Drehzahl durch äußeren Antrieb über den Leerlauf erhöht wird. Wird ein solcher Asynchrongenerator in bekannter Weise so stark erregt, daß er seinen eigenen Blindleistungsbedarf und den seines Netzes deckt, so kann er auch nach Abschalten der vorher parallel arbeitenden synchronen Taktgeber, also unter Selbsterregung, weiterarbeiten. Wenn aber das selbsterregte Feld der Maschine infolge Abschaltung oder auch infolge eines Kurzschlusses abgeklungen ist, ist es unsicher, ob die Selbsterregung beim Wiedereinschalten ohne parallel arbeitende synchrone Taktgeber erneut einsetzen wird.

Diese Unsicherheit kann nun aber erfindungsgemäß durch eine Anordnung beseitigt werden, nach welcher der Kommutatormaschine die Erregerenergie mindestens teilweise über einen Frequenzumformer zugeführt wird, welcher von einem Hilfssynchrongenerator gespeist wird, der gleichzeitig von einer an die primären Klemmen des Asynchrongenerators angeschlossenen Synchronmaschine und von einer weiteren unabhängig regelbaren Maschine beliebiger Art angetrieben wird. Es sind schon derartige Schaltungen bekannt, bei welchen der Hilfssynchrongenerator bei selbständigem Betrieb von einer unabhängig regelbaren Antriebsmaschine, ζ. Β. einer Wasserturbine, dagegen bei unselbständigem Betrieb von einem an das Netz angeschlossenen Synchronmotor angetrieben wird. Bei diesen bekannten Anordnungen ist aber bei Übergang vom selbständigen Betrieb zum unselbständigen Betrieb eine ' Schaltungsänderung bzw. Betätigung der Steuerorgane der Antriebsmaschinen erforderlich. Bei der vorliegenden Erfindung findet dagegen der Übergang vom selbständigen zum unselbständigen Betrieb oder umgekehrt ohne Umschaltung oder ohne Zu- oder Abkupplung irgendeiner Antriebsmaschine statt. Diese Anordnung ist an Hand des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 näher erläutert. An die Sammelschienen 1 sind der Asynchrongenerator 2 und der Synchronmotor 3 angeschlossen. Die Schleifringe der Asynchronmaschine sind mit dem Läuferkreis der Kommutatormaschine 4 verbunden, deren Erregerkreis 5 beispielsweise über einen Widerstand 6 von der Kommutatorspannung des mit dem Generator gekuppelten Frequenzumformers 7 gespeist wird. Der Ohmsche Widerstand 6 besa'gt, daß der Erregerkreis der Kommutatorhintermaschine im wesentlichen als Ohmscher Widerstand betrachtet werden kann. (Die Speisung der Erregerwicklung könnte auch durch irgendeine Korn-

bination der Schleifringspannung des Asynchrongenerators und der Kommutatorspannung des Frequenzumformers mit oder ohne Zwischenschaltung von Ohmschen oder induktiven Widerständen oder auch unter Zwischenschaltung einer Erregermaschine erfolgen. Eine derartige gemischte Speisung der Erregerwicklung läßt sich z. B. ausführen, indem der Nullpunkt der Erregerwicklung S ίο geöffnet wird und diese offenen Enden der Erregerwicklung jetzt direkt oder unter Zwischenschaltung eines Transformators zu den Schleifringen des Hauptmotors oder zu den Klemmen einer Erregermaschine geführt werden.) An die Schleifringe des Frequenzumformers ist der Synchrongenerator 8 angeschlossen, der erfindungsgemäß sowohl mit dem Synchronmotor 3 gleicher Polzahl als auch mit einer unabhängig regelbaren Antriebsmaschine 9 gekuppelt ist, die beispielsweise als Gleichstrommaschine gezeichnet ist, und aus dem Netz 10 gespeist wird. 11 ist die Antriebsmaschine des Generators 2.

In der gezeichneten Schaltung ist bekanntlieh die Primärfrequenz des Asynchrongenerators, unabhängig von seiner Drehzahl, stets gleich der Frequenz des Generators 8, also gleich der Rotationsfrequenz der Synchronmaschinen 3 und 8. Mit Rücksicht auf die Frequenz darf also der Synchronmotor 3 durch Schließen des Schalters 12 dauernd auf das Netz 1 geschaltet sein. Wenn im Netz keine weiteren selbständig die Frequenz bestimmenden Generatoren vorhanden sind, kann die Primärfrequenz des Asynchrongenerators dadurch auf jeden beliebigen Wert geregelt werden, daß der Umformergruppe 3 bis 8 die entsprechende Rotationsfrequenz aufgedrückt wird, und dies kann durch den no unabhängig regelbaren Antriebsmotor 9 erreicht werden. Die Größe der Spannung des Asynchrongenerators bei bestimmter Schlüpfung und Belastung hängt von der Erregung des Synchrongenerators 8 ab. Um die Phasenlage der Spannung des Generators 8 beliebig einstellen zu können, kann es zweckmäßig sein, den Generator mit zwei räumlich um 90 ° gegeneinander verschobenen Erregerwicklungen auszustatten. Eine Phasenver-Schiebung der Spannung kann aber auch durch Zuschaltung von regelbaren Transformatoren o. dgl. erreicht werden.

Die zur Selbsterregung der in der Figur dargestellten Maschinengruppe notwendige Magnetisierungsenergie wird von der von außen angetriebenen Synchronmaschine 8 geliefert; jede Unsicherheit im Auftreten der Selbsterregung fällt bekanntlich dadurch weg. Da die beiden Synchronmaschinen 3 und 8 starr miteinander gekuppelt sind, sind ihre Spannungsvektoren um einen konstanten Winkel gegeneinander verschoben. Der Winkel zwischen dem primären Spannungsvektor des Asynchrongenerators 2 und dem Spannungsvektor der Synchronmaschine 8 wechseit im allgemeinen mit der Schlüpfung und der Belastung des Asynchrongenerators, es wechselt also auch der Winkel zwischen dem Spannungsvektor des Asynchrongenerators 2 und dem des Synchronmotors 3. Wenn also die Synchronmaschine 3 dauernd an die Sammelschienen ι angeschlossen ist, wird auf sie ein mit der Schlüpfung und Belastung des Asynchrongenerators wechselndes Drehmoment ausgeübt. Ist der Motor 9 stark genug, so wird er die Drehzahl der Umformergruppe selbständig festlegen, unabhängig vom Drehmoment des Motors 3. Außertrittfallen kann dieser Motor nicht, da seine Rotationsfrequenz identisch gleich mit der Primär- frequenz des Asynchrongenerators ist, von der er gespeist wird. Er kann aber, wenn das Drehmoment zu groß wird, unzulässig warm werden. Diese Gefahr kann durch Vergrößerung des Widerstandes der Zuleitung zum Motor 3 verkleinert werden. Ein anderes Mittel, die Gefahr der Überlastung zu vermeiden, besteht darin, daß die Schlüpfungsänderung des Asynchrongenerators 2 zwischen Leerlauf und Vollast richtig be- go messen wird.

Bei Belastung des Asynchrongenerators fließt in dem Ständer- und Läuferkreis ein bei Leerlauf nicht vorhandener Wirkstrom. Ändert sich nun mit der Belastung die Schlüpfung der Asynchronmaschine derart, daß die entsprechende Änderung der Schlupfspannung gleich und gleichgerichtet mit dem Ohmschen Spannungsabfall des Wirkstromes ist, so bleibt der Phasenwinkel zwischen der Primärspannung des Asynchrongenerators und der Spannung des Generators 8 dauernd annähernd konstant, unabhängig von der Schlüpfung. Die Änderung der Schlupfspannung des Asynchrongenerators hat die verlangte Größe, wenn seine Schlüpfungsänderung zwischen Leerlauf und Vollast gleich der Schlüpfungsänderung ist, welche die als Motor arbeitende Asynchronmaschine 2 zwischen Leerlauf und Vollast hat, wenn sie in gleicher Schaltung wie in der Figur, aber bei abgeschalteter Maschine 9, mit Netzspannung und Netzfrequenz gespeist wird. Diese Tatsache läßt sich in folgender Weise erklären. Betrachten wir den Lauf der Maschine 2 (Fig. 1) als kompensierten Asynchronmotor und nehmen einfachheitshalber den Leerlaufschlupf= O. Bei den in Betracht kommenden sehr niedrigen Sekundärfrequenzen können die induktiven Widerstände der Niederfrequenzkreise gegenüber den Ohmschen Widerständen vernachlässigt werden. Es sei bei

Leerlauf OA in Fig. 2 die Bürstenspannung des Kommutators des Frequenzwandlers 7. Die Richtung von OA ist festgelegt durch die Lage des Spannungsvektors der Maschine 8. In geeignetem Maßstabe stellt OA auch die Bürstenspannung der Kommutatorhintermaschine und auch den Rotorstrom der Maschine 2 dar. Dieser Strom soll bei Leerlauf die erforderliche Erregung der Maschine 2

to hergeben. OB ist die Primärspannung der Maschine 2. Wird jetzt die Maschine motorisch belastet, wobei der Winkel zwischen dem primären Spannungsvektor der Maschine 2 und dem Spannungsvektor der Maschine 8 konstant bleibt, so daß auch der Winkel zwischen dem Spannungsvektor OB und der von der Kommutatorhintermaschine erzeugten Stromkomponente OA konstant bleibt, dann tritt bei Belastung im Rotor der Maschine 2 eine Schlupfspannung OD hinzu, die eine Stromkomponente OD hervorruft. OE ist der gesamte Rotorstrom, OC der auf die Rotorwicklung reduzierte Statorstrom. Bei konstanter Richtung der Spannung OA ist die Größe der Schlüpfspannung durch die Belastung des Motors festgelegt, sie ist gleich dem Ohmschen Spannungsabfall des Belastungsstromes.

Für den Generatorbetrieb gilt zunächst dasselbe, nur muß dabei die Schlupfspannung umgekehrte Richtung haben, d. h. die Frequenz des Netzes r muß mit steigender Belastung relativ zur Rotationsfrequenz des Generators 2 sinken. Um bei verschiedenen Belastungen wieder einen konstanten Winkel zwischen dem Spannungsvektor OB und der von der Kommutatorhintermaschine erzeugten Stromkomponente OA beizubehalten, muß wieder ein bestimmter Zusammenhang zwisehen Belastung und Schlupffrequenz bestehen, der, abgesehen vom Vorzeichen, derselbe sein muß wie beim Motorbetrieb. Es muß also bei wechselnder Belastung die aus der Rotationsfrequenz des Generators 2 und aus der Rotationsfrequenz des Generators 8 resultierende Schlupffrequenz des Generators 2 stets solchen Wert haben, daß die Schlupfspannung bei Belastung, vermindert um die Schlupfspannung bei Leerlauf, gleich dem Spannungsabfall des Belastungsstromes im Läuferkreis ist. Wird diese Bedingung nicht erfüllt, so ändert sich mit der Belastung auch der Winkel zwischen der Spannung OA und der Schlupfspannung des Hauptmotors und damit auch der Winkel zwischen dem primären Spannungsvektor der Maschine 2 und dem Spannungsvektor der Maschine 8. Während aber bei steigender motorischer Belastung die übersynchrone Schlüpfung sinkt und die untersynchrone Schlüpfung steigt, muß bei steigender generatorischer Belastung, damit die Änderung der Schlupfspannung des Asynchrongenerators die verlangte Richtung hat, die untersynchrone Schlüpfung abnehmen und die übersynchrone Schlüpfung ansteigen. Die Schlüpfungsänderung des Asynchrongenerators bei wechselnder Belastung hängt sowohl von der Änderung seiner Rotationsfrequenz als auch von der des Synchrongenerators 8 ab; die verlangte Schlüpfungsänderung des Asynchrongenerators kann also, auch wenn dieser mit konstanter Drehzahl arbeitet, dadurch erreicht werden, daß die Drehzahl der unabhängig regelbaren Antriebsmaschine 9 des Generators 8 in entsprechende Abhängigkeit zur Belastung des Asynchrongenerators gebracht wird, so daß die Drehzahl mit steigender Belastung sinkt. Ist dabei der Kupplungswinkel der Synchronmaschinen 3 und 8 für eine bestimmte Belastung richtig eingestellt, so ist er für alle Belastungen angenähert richtig, die Gefahr einer Stromüberlastung der Maschine 3 ist beseitigt. Es ergibt sich dabei der weitere Vorteil, daß die Änderung der Blindleistung bzw. der Spannung des Asynchrongenerators 2 zwischen Leerlauf und Vollast bei konstanter Erregung des Generators 8 kleiner ist, als wenn die Schlüpfungsänderung von dem obengenannten Wert stark abweicht, weil bei konstantem Phasenwinkel zwischen der konstanten Spannung der Hintermaschine und der Schlupfspannung des Vordermotors auch die kompensierende Spannungskomponente der Hintermaschine konstant bleibt, während sie sich ändert, wenn der genannte Winkel mit der Belastung ändert.

Wird die Drehzahl der unabhängig regelbaren Antriebsmaschine 9 in Abhängigkeit zur Belastung des Asynchrongenerators 2 gebracht, so wird dadurch noch ein weiterer wichtiger Vorteil erzielt, wenn an die Sammelschienen ι weitere Synchrongeneratoren angeschlossen sind. Die Leistung dieser Synchrongeneratoren, die gleich der ihrer Antriebsmaschine ist, hängt von ihrer Drehzahl ab, und diese wird durch die Netzfrequenz, also durch die Drehzahl der unabhängig regelbaren Antriebsmaschine, bestimmt. Solange deren Drehzahl also von den Belastungsverhältnissen des Netzes unabhängig und beispielsweise konstant ist, ist auch die Leistung der Synchrongeneratoren konstant, und jede Belastungsschwankung im Netz muß durch den Asynchrongenerator aufgenommen werden, was im allgemeinen nicht zulässig ist. Eine Lastverteilung auf sämtliche Generatoren ist aber möglich, wenn erfindungsgemäß die Drehzahl der Antriebsmaschine 9 in Abhängigkeit von der Belastung des Asynchrongenerators 2 gebracht wird, so daß sie und damit auch die Netzfrequenz mit wachsender

Belastung, wenn auch geringfügig, sinkt. Damit ändert sich mit wechselnder Belastung auch die Drehzahl der Synchrongeneratoren und deren Leistung in Abhängigkeit von ihren Antriebsreglern.

In vereinzelten Fällen kann es erwünscht sein, dem Asynchrongenerator 2 synchronen Charakter zu geben. Dies kann dadurch geschehen, daß sein Läufer oder auch die Erregerwicklung der an ihn angeschlossenen Kommutatormaschine mit Gleichstrom gespeist wird. Der synchrone Charakter kann aber auch erfindungsgemäß dadurch erzwungen werden, daß die Umformergruppe 3 bis 8 mit dem Läufer des Generators 2 gekuppelt wird. Da die Primärfrequenz des Generators gleich der Rotationsfrequenz des Umformers ist, wird sie durch die Kupplung auch in eindeutige Abhängigkeit von der Drehzahl des Generators gebracht, diesem also synchroner Charakter verliehen. Die Kupplung kann mit beliebigem Übersetzungsverhältnis starr oder mit Riemen oder auf elektrischem Wege erfolgen.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung zum Betrieb eines Asynchrongenerators mit Kommutatorhintermaschine, welchem die Erregerenergie mindestens teilweise über einen Frequenzumformer von einem Hilfssynchrongenerator zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsgenerator gleichzeitig von einer an die primären Klemmen des Asynchrongenerators angeschlossenen Synchronmaschine (3) und von einer weiteren unabhängig regelbaren Maschine (9) beliebiger Art angetrieben ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Klemmen der synchronen Antriebsmaschine (3) ein zusätzlicher Widerstand solcher Größe vorgeschaltet ist, daß auch bei großer Phasenverschiebung zwischen dem EMK-Vektor der Maschine und dem Netzvektor der Ankerstrom der Maschine nicht unzulässig ansteigt.
3. 3. Anordnung nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlüpfungsänderung des Asynchrongenerators (2) zwischen Leerlauf und Vollast gleich der Schlüpfungsänderung ist, welche die gleiche Maschine (2) bei gleicher Belastungsänderung hat, wenn sie bei abgeschalteter, unabhängig regelbarer Antriebsmaschine (9) bei gleicher Netzspannung und Frequenz als Motor arbeitet.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des unabhängig regelbaren Antriebsmotors (9) derart in Abhängigkeit zur Belastung des Asynchrongenerators (2) gebracht ist, daß sie mit steigender Belastung sinkt.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1 für synchronen Betrieb des Hauptgenerators, dadurch gekennzeichnet, daß die den Frequenzumformer speisende Maschinengruppe (3 bis 8) mit dem Asynchrongenerator (2) starr oder über Riemen gekuppelt ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen