DE632599C

DE632599C - Anordnung zur Kompensierung des induktiven Spannungsabfalles in einem Wechselstromkreis veraenderlicher Frequenz

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Publication number: DE632599C
Application number: DE1930632599D
Authority: DE
Original assignee: STALTURBINE GmbH
Current assignee: STALTURBINE GmbH
Priority date: 1929-12-05
Filing date: 1930-10-28
Publication date: 1936-07-10

Description

Wenn man in einen Gleichstromkreis einen mit konstanter Geschwindigkeit umlaufenden Reihenschlußmotor einschaltet, so wirkt letzterer, wie bekannt, in gleicher Weise wie ein Ohmscher Widerstand, d. h. er verursacht einen dem Strom proportionalen Spannungsabfall. Ein in der gleichen Weise ein-* geschalteter Reihenschlußgenerator wirkt wie ein negativer Ohmscher Widerstand. Das gleiche gilt für einen Wechselstromkreis, falls die eingeschaltete Maschine der Gattung ist, die für den induktiven Spannungsabfall kompensiert ist, beispielsweise eine sogenannte Scherbiusmaschine mit Kompensationswicklung.

Bei Wechselstrom können die Verhältnisse so ausgedrückt werden, daß die eingeschaltete Maschine einen Spannungsvekior liefert, der i8o° vor (oder nach) dem Stromvektor liegt und ihm proportional ist. Aus dieser Betrachtung geht hervor, daß, falls man eine Reihenschlußmaschine mit Ständererregung mit einem parallel zur Erregerwicklung He-

genden Ohmschen Widerstand solcher Größe versieht, daß der nacheilende Kraftfluß der Reihenschlußmaschine eine induktive Spannungskomponente erzeugt, die dem induktiven Spannungsabfall des Wechselstromkreises annähernd gleich wird, man diesen Spannungsabfall kompensieren kann. Es soll im folgenden nachgewiesen werden, daß diese kompensierende Wirkung mit großer Annäherung zwischen weiten Grenzen der Frequenz unabhängig von der letzteren erreicht wird. Gegenstand der Erfindung bildet eine in dieser Weise ausgebildete Kompensierungsanordnung.

Mehrere Ausführungsformen bzw. Anwendungen der Erfindung sind in der Zeichnung in Abb. 1 bis 8 schaubildlich dargestellt.

In Abb. ι ist die Erfindung allgemein auf einen mehrphasigen Stromkreis angewandt dargestellt, von dem nur eine Phase eingezeichnet ist und dessen Nullpunkt im Läufer der Maschine 1 gedacht wird. Die Maschine hat im Ständer eine Kompensationswicklung 2

und eine Reihenschlußerregerwicklung· 3. Parallel zu letzterer liegt ein regelbarer Ohmscher Widerstand 4. Bezeichnet man den Ohmschen Widerstand und die Reaktanz der Wicklung 3 mit r₃ bzw. X₃ und den- Wert des Widerstandes 4 mit r₄, die Ströme in 3 und 4 mit J₃ bzw. J₄ und deren Summe mit I₁, so erhält man die Gleichung

Hieraus erhält man

und

15 Falls J₃ in eine mit· I₁ gleichphasige und eine dazu senkrechte Komponente aufgeteilt wird, 75 erhält man

+ ^ri

Die in der Maschine 1 erzeugte Umlaufspannung sei als proportional zu J₃ (ungesättigter Magnetkreis) und kann = —d /₃ gesetzt werden, wobei das Minuszeichen bedeutet, daß

Das erste Glied der rechten Seite bedeutet hier einen Spannungsabfall in Phase mit dem Strom und das andere Glied eine Spannung, die dem Strom 90⁰ i K

pensationsspannung

⁰ voreilt, also eine KomDas letzte Glied enthält

X₃ im Zähler und 1 -J- f

Vi -H

im Nenner.

Macht man die Summe r₃ + f'i g^r°ß ^im Verhältnis zu X₃, so wird das zweite Glied des Nenners unbedeutend im Vergleich mit 1, d. h. der Nenner wird praktisch unabhängig von x_s, d. h. von der Frequenz. Die Kompensationsspannung, die x₃ im Zähler enthält, wird in diesem Fall direkt proportional der Frequenz, weshalb sie durch entsprechende Bemessung der Maschine 1 einen im Stromkreis vorhandenen, dieser Frequenz proportionalen, induktiven Spannungsabfall ganz kompensieren kann.

Falls der Koeffizient für / J₁ in der letzten

Gleichung = τ~^ζ—v»~ gesetzt wird,

wo α eine Konstante ist, und die Maschine so bemessen wird, daß a · X₃ bei niedrigen Werten der Frequenz, wenn der Nenner gegen 1 konvergiert, gleich der Reaktanz des Stromkreises wird, so wird bei höherer Frequenz die Maschine eine Spannungskomponente in 'Phase mit dem Strom aufnimmt, d.h. als Motor läuft. ^8s

Es wird also

Xn

-4JI₁

*3 V

r₃ + rj

der unkompensierte Rest des induktiven Spannungsabfalles

- ax. T '

a X_n

I γ J

was, da r₃ -f- r₄ immer als groß im Vergleich mit x₃ vorausgesetzt wird,

2 Jn, f Λ, λ 3

I ^Λ3 1

^3

g
-\-rJ

gesetzt werden kann. Da der gesamte Ohmsche Widerstand zufolge des Vorhergesagten mindestens = —-^- sein muß, wird

der höchste Phasenfehler also

Falls X₃ ein Drittel von r₃ + r₄ beträgt, was etwa ein normaler Wert ist, wird der Phasenfehler also* höchstens ¹Z₂₇, wogegen er ohne die Maschine 1, den Widerstand 4, etwa ¹^ sein würde.

Anstatt direkt kann man den Widerstand 4 auch transformatorisch parallel zur Wicklung 3 schalten, wodurch er für einen bedeutend niedrigeren Strom als den Hauptstrom ausgeführt werden kann und die Kontakte zum Anschluß und Einregelung des Wider-

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Standes einfacher werden. Die transformatorische Kopplung erfolgt vorzugsweise durch eine Wicklung 5 auf dem gleichen Kern wie die Wicklung 3, wie Abb. 2 zeigt, so daß kein besonderer Apparat zu diesem Zweck nötig ist.

Abb. 3 zeigt eine Anwendung der Maschine nach Abb. 1 als Phasenkompensator eines gewöhnlichen Asynchronmotors 6. Der Kompensator 1, der mit der in Abb. 1 gezeigten Maschine identisch ist und die gleichen Bezeichnungen für die Einzelheiten hat, ist an die Schleifringe der Hauptmaschine angeschlossen und mit einer besonderen Maschine 7 gekuppelt, die gewöhnlich als Generator läuft, da die Maschine 1 als Motor arbeitet.

In Abb. 4 dient die Maschine 1 als Phasenkompensator im Erregerkreis einer größeren Kollektormaschine mit Ständererregung (Scherbiustyp). Letztgenannte Maschine ist mit 8 und ihre Erregerwicklung mit 9 bezeichnet. Die Erregerwicklung 9 soll im übrigen an eine Stromquelle angeschlossen sein, deren Spannung konstant oder beliebig veränderlich sein kann. Die Maschine 1 hat bei entsprechender Bemessung die Wirkung, daß der Strom im Erregerkreis unabhängig von der Frequenz der genannten Spannung in Phase und Größe praktisch genau folgt.

Man kann auch, wie Abb. 5 zeigt, die Maschine ι derart abändern, daß sie neben ihrer ursprünglichen Wirkung selbst als Erregermaschine für eine Scherbiusmaschine 8 dient.

Zu diesem Zweck wird sie mit einer besonderen Erregerwicklung 10 versehen, die in der gleichen Achse wie die Wicklung 3 wirkt. Falls diese beiden Wicklungen auf den gleichen Polkernen liegen, was vom Gesichtspunkte des Maschinenbaues am bequemsten ist, muß eine Maßnahme· getroffen werden, um dem induktiven Einfluß des Stromkreises durch die Wicklung 10 auf den Nebenschlußkreis durch die Wicklung 3 entgegenzuwirken.

♦5 Zu diesem Zweck können diese Stromkreise außerhalb der Maschine durch einen Transformator 11 verkettet werden, der entgegengesetzt der ebengenannten induktiven Verkettung wirkt. Falls die Wicklungen beispielsweise auf magnetisch parallelen Teilen eines Spaltpolkernes gewickelt sind, kann ein derartiger Entkopplungstransformator in dem Erreger entbehrt werden.

Es kann auch genügen, in den Nebenschlußkreis durch die Wicklung 3 eine entsprechend bemessene Reaktanz einzuschalten, d. h. man kann die in Reihe mit der Wicklung 10 geschaltete Wicklung des Transformators 11 fortlassen. In gewissen Fällen kann es sogar zweckmäßig sein, daß die letztgenannte Wicklung derart gewickelt wird, daß sie die Wirkung der induktiven Kopplung durch die Erregerwicklungen in der Maschine verstärkt. Sie muß dann jedoch eine wesentlich kleinere Anzahl Amperewindungen als die andere Wicklung des Transformators enthalten, so daß die Induktanz der letztgenannten Wicklung noch immer entscheidend für die Stromverhältnisse in deren Stromkreis ist. Der Vorteil einer Schaltung letztgenannter Art ist, daß sie im Vergleich zu der ursprünglich beschriebenen die Gesamtinduktanz des die Wicklung 10 umfassenden Stromkreises herabsetzt. In sämtlichen beschriebenen Fällen soll der Transformator 11 eine verhältnismäßig große Reaktanz besitzen, beispielsweise mit Luftspalt im Eisenkern ausgeführt sein.

Falls eine nach Abb. 5 ausgeführte Maschine ι unmittelbar als Phasenkompensator einer Asynchronmaschine benutzt wird, kann die Schaltung nach Abb. 6 ausgeführt sein. Die Wicklung 10 wird hier von den Schleifringen der Hauptmaschine 6 über eine Drosselspule 12 gespeist. Ihr Strom wird deshalb annähernd konstant, unabhängig vom Schlupf, da Spannung und Reaktanz sich in dem gleichen Verhältnis ändern. Die Maschine 6 erhält deshalb eine Kompensationsspannung, die sich aus einer nahezu konstanten und einer dem Belastungsstrom proportionalen Komponente zusammensetzt, und gleichzeitig eine kompoundierende Gegenspannung.

Abb. 7 zeigt eine Schaltung, die sich für Drehzahlregelung bei Asynchronmotoren eignet. An den Schleifringen der Haupt-, asynchronmaschine 6 ist eine Scherbiusmaschine 8 mit Erregerwicklung 9 angeschlossen, welche letztere durch eine Maschine ι der gleichen Ausführung wie in Abb. 5 gespeist wird. Die Erregerwicklung 10 der letztgenannten Maschine wir-d ihrerseits durch einen kleinen Generator 13 von Schragetyp mit in Reihe geschalteten Läufer- und S tänder wicklungen gespeist, dessen Schleifringe in bekannter Weise -an das Netz über einen regelbaren Transformator 14 in Reihe mit einem die Maschine mit dem Hauptstromkreis koppelnden Stromwandler 15 angeschlossen sind. Letztgenannter Generator liefert einen der aufgedrückten Spannung proportionalen Strom zur Wicklung 10, worauf die Maschine 1 in schon beschriebener Weise einen hierzu proportionalen Strom an die Wicklung 9 liefert.

Abb. 8 zeigt schließlich eine Schaltung zur Belastung einer Asynchronmaschine 6 mit einer von dem Schlupf unabhängigen oder wenigstens ihm nicht proportionalen Leistung. An die Schleifringe der Asynchron-

maschine ist eine Scherbiusmaschine 8 angeschlossen, die von einer Maschine ι der in den Abb. S bis 7 dargestellten Schaltung erregt wird. An die Erregerwicklung 10 dieser Maschine sind inzwischen zwei in Reihe geschaltete Spannungsquellen angeschlossen, nämlich ein Frequenzformer 16, der eine von dem 'Schlupf unabhängige Spannung liefert, und eine Asynchronmaschine 17, die eine dem Schlupf im wesentlichen proportionale Spannung liefert. Zweckmäßig ist die Asynchronmaschine 17 an das Netz durch einen Reihentransformator 18 angeschlossen, dessen Primärwicklung in der Zuleitung der Hauptmaschine liegt und der so bemessen ist, daß die Maschine 17 auf der Sekundärseite eine Spannung liefert, die der Schlupfspannung der Hauptmaschine unter Berücksichtigung aller induktiven Spannungsabfälle proportional ist. Falls die Kompensationsmaschine 1 für die Kompensation der induktiven Spannungsabfälle sowohl in der Wicklung 9 als auch in der Wicklung 10 bemessen ist, liefert die Maschine 8 deshalb teils unter dem Einfluß der Maschine 17 eine Spannungskomponente, die die Resultate aller dem Schlupf proportionalen Spannungskomponenten der Hauptmaschine genau ausgleicht, teils unter dem Einfluß der Maschine 16 eine Spannungskomponente, die den von dem Schlupf unabhängigen Ohmschen Spannungsäbfall im Kreise deckt. Durch Regelung der letztgenannten Komponente vermittels der Maschine 16 kann man deshalb den Sekundärstrom und dadurch die Belastung der Maschine 6 regeln. Selbstverständlich kann man durch eine gegenseitige Regelung der Primärspannungen der Maschinen 16 und 17 jede erwünschte Zwischenform zwischen dieser Arbeitsweise und einer dem Schlupf proportionalen Belastung erhalten.

Die in Abb. 6 bis 8 dargestellten Anwendungen der Erfindung können derart abgeändert werden, daß anstatt "einer mit unabhängiger Erregerwicklung versehenen Kompensationsmaschine nach Abb. 5 eine derartige Maschine nach Abb. 4 in Reihe mit einer besonderen Erregermaschine verwendet wird. Die gezeigte Ausführung ist doch im allgemeinen infolge ihres niedrigeren Preises vorzuziehen.

Claims

Patentansprüche:

i. Anordnung zur Kompensierung des induktiven Spannungsabfalles in einem Wechselstromkreis veränderlicher Frequenz, gekennzeichnet durch eine in den Stromkreis eingeschaltete Wechselstromkomrnutator-Reihenschlußmaschine mit Ständererregung und mit einem parallel zur Erregerwicklung liegenden Ohmschen Widerstand solcher Größe, daß die von der Reihenschlußmaschine erzeugte induktive Spannungskomponente dem induktiven Spannungsabfall des Wechselstromkreises annähernd gleich wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ohmsche Widerstand transformatorisch mit der Erregerwicklung der Reihenschlußmaschine gekoppelt ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 zur Phasenkompensierung einer Asynchronmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Reihenschlußmaschine an den Schleifringen der Asynchronmaschine unmittelbar angeschlossen ist (Abb. 3).
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschlußmaschine in den Erregerkreis einer Kollektormaschine mit Ständererregung (Scherbiusmaschine) eingeschaltet ist (Abb. 4).
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschlußmaschine auch mit einer unabhängigen Erregerwicklung versehen ist, die so geschaltet oder so angeordnet ist, daß die gegenseitige Induktanz zwischen ihr und der'Reihenschlußwicklung im wesentlichen aufgehoben oder beseitigt ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkreise, die die Reihenschlußwicklung und die unab- S5 hängige Erregerwicklung enthalten, außerhalb der Maschine durch einen Transformator induktiv gekoppelt sind, der die Wirkung der gegenseitigen Induktanz in der Maschine ausgleicht (Abb. 5).
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator großen magnetischen Widerstand besitzt. .
8. Eine Abänderung der Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator durch eine Drosselspule in. dem die Reihenschlußwicklung und den Widerstand enthaltenden Stromkreis ersetzt ist. *
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Kern der Drosselspule eine zweite Wicklung liegt, die die induktive Wirkung des die Reihenschlußwicklung enthaltenden Stromkreises auf den die unabhängige Erregerwicklung enthaltenden Stromkreis verstärkt, aber so kleine Amperewindungszahl hat, daß ihre Rückwirkung auf den erstgenannten Stromkreis gering ist.
ίο. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschlußwicklung und die unabhängige Erregerwicklung auf getrennten, magnetisch parallelen Kernen liegen.
11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschlußmaschine an den Schleifringen einer Asynchronmaschine angeschlossen ist, und daß in dem die Maschine enthaltenden Stromkreis eine Umlaufspannung erzeugt wird, deren Erregerstrom ' den Schleifringen über eine Drosselspule entnommen wird (Abb. 6).
12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschlußmaschine zwischen einem Kollektorgenerator vom Schragetyp und der Erregerwicklung einer Kollektormaschine vom Scherbiustyp geschaltet ist, wobei die Kollektormaschine ihrerseits in Kaskade an eine Asynchronmaschine angeschlossen ist (Abb. 7).
13. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Reihenschlußmaschine im Erregerkreis einer Scherbiusmaschine liegt, die in Kaskade an eine Hauptasynchronmaschine angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschlußmaschine oder ihre Erregerwicklung in Reihe mit zwei Erregermaschinen liegt, deren eine eine von dem Schlupf der Hauptmaschine unabhängige und die andere eine dem genannten Schlupf wesentlich proportionale Spannung liefert (Abb. 8).

Hierzu ι Blatt Zeichnungen