DE653487C - Anordnung zur Erregung von Asynchronmaschinen - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 25. NO VEIMBER1937

REICHSPÄTENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 d² GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 4. November 1934 ab

Zur Erregung von Asynchronmaschinen mittels Kommutatorhintermaschinen gibt es eine große Anzahl von Anordnungen, bei denen jedoch größtenteils die Kommutatorhintermaschine oder eine zu deren Erregung dienende Hilfsmaschine mit der Asynchronmaschine in starrem Drehzahlverhältnis steht. Man kann mit solchen Schaltungen alle Anforderungen bezüglich, der Beeinflussung der Hauptmaschine nach Drehzahl, Wirk- und Blindleistung, Kompoundierung usw. weitgehend erfüllen. Doch bedeutet die Notwendigkeit, eine oder mehrere Maschinen in starrem Drehzahlverhältnis mit der Hauptmaschine zu betreiben, manchmal eine Unannehmlichkeit. Andererseits gibt es verschiedene Anordnungen, bei denen lediglich eine elektrische Verbindung zwischen Haupt- und Hintermaschine erforderlich ist, wie z. B.

bei dem Leblancschen Phasenschieber (hauptstromernegte Drehstromerregermaschine) oder bei Anordnungen mit frei laufendem Frequenzwandler. Doch kann man mit den bekanntgewordenen Anordnungen nicht die obengenannten Anforderungen erfüllen, namentlich die Kompoundierung, die selbsttätige Anpassung des Läuferstromes an den Ständerstrom, ist noch nicht gelungen.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erregung von Asynchronmaschinen, deren Sekundärteil durch einen unabhängig von der Asynchronmaschine und regelbar angetriebenen Kommutatorfrequenzwandler gespeist wird, die gegenüber den bekannten Anordnungen wesentliche Vorteile aufweist. Der Kommutatorfrequenzwandler ist dabei nicht oder nur teilweise kompensiert, und seinen Schleifringen wird erfindungsgemäß über einen Scheinwiderstand (Drosselspule, Blindleistungsmaschine usw.), dessen Widerstandswert ein Vielfaches des an den Schleifringen des Fre-^ quenzwandlers auftretenden Scheinwiderstandes ist, ein belastungsunabhängiger Strom zugeführt. Infolge der großen Leistung bzw. des großen Widerstandswertes des Schein-Widerstandes relativ zu der an den Schleifringen des Kommutatorfrequenzwandlers oder im Sekundärteil der Asynchronmaschine auftretenden Leistung bzw. dem entsprechenden Widerstandswert schreibt dieser Strom des Scheinwiderstandes auch den Strom im Sekundärteil der Asynchronmaschine vor. Bei jeder Abweichung des Läuferstromes der Asynchronmaschine von seinem Sollwert findet eine zusätzliche Erregung des Frequenzwandlers durch seinen Schleifringstrom im Sinne einer Wiederherstellung des -Sollwertes statt. Die erforderliche Spannungsänderung des Frequenzwandlers vollzieht sich infolge der getroffenen Schaltung (Stromtransformatorschaltung) vollkommen selbsttätig. Da der große Scheinwiderstand den Läuferstrom der

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Hermann Harz in Berlin.

Asynchronmaschine vorschreibt, so wird dadurch auch die Scheinleistung der Asynchronmaschine unabhängig von ihrer Drehzahl festgelegt. Dies ist in vielen Fällen vorteilhaft. Beispielsweise besteht an dem asynchronen Antriebsmotor von Leonard-Umformern, das Bedürfnis, in den Leerlaufpausen des Motors den Motor zur Abgabe von Blindleistung an das Netz heranzuziehen. Diese Aufgabe kann ίο mit der Anordnung nacht der Erfindung ohne weiteres gelöst werden; da bei geringer Belastung der Asynchronmaschine der Läuferstrombelag, der bisher den Belastungsstrom bildete, nunmehr selbsttätig die Phasenlage vom Magnetisierüngsstrom annimmt.

Man kann auf 'diese Weise außer dem Strom des Scheinwiderstandes noch den Ständerstrom · der Hauptmaschine verhältnisgleich in den Läufer einführen, derart, daß Änderungen der Frequenzwandlerspannung den einmal eingestellten Strom nach Größe und Phasenlage nicht beeinflussen. Man kann auch beide Ströme im Frequenzwandler überlagern, so daß der Läuferstrom der Hauptmaschine ihrer geometrischen Summe entsprechen muß. Durch die Drehzahl des Frequenzwandlers ist auch die Drehzahl der Hauptmaschine bestimmt; sie entspricht der Summe bzw. der Differenz von Netzfrequenz und Schlupffrequenz, je nachdem man zwei Anschlüsse zwischen Frequenzwandler und Läufer der Hauptmaschine vertauscht oder den Frequenzwandler unter- oder übersynchron antreibt. Da der Läufer sich mit seiner Achse relativ zum Feld frei ■_ einstellen kann, wird er sich so einstellen, daß die geometrische Summe von Läuferund Ständerstrombelag den Erregerstrombelag ergibt. Es liegen demnach ähnliche Verhältnisse vor wie bei einer Synchronmaschine, die sich ja auch mit ihrem Polrad entsprechend der Belastung und Erregung einstellt. Sie ist nur insofern im Nachteil, als der Läufers tr ombelag nur durch Winkeländerungen des Polrades in eine andere durch die Belastung und Erregung gegebene Lage gebracht werden kann, weil infolge der einachsigen Erregung Wicklungsachse und Erregerachse zusammenfallen. Daher kommt es bei plötzlichen Belastungsschwankungen So leicht zu mechanischen Pendelungen. Die Asynchronmaschine besitzt dagegen mehrere gegeneinander versetzte Wicklungsachsen, so daß Anpassung an die neue Belastung lediglich durch Änderung der Erregerachse bei.· gleichbleibenden Wicklungsachsen möglichist. Dadurch werden mechanische Pendelungen vermieden, auch wenn die Sekundärfrequenz, z. B. durch Konstanthalten der Drehzahl des Frequenzwandlers, konstant gehalten wird. Man kann auf diese Weise die Asynchronmaschine in weit vollkommenerer Weise kompoundieren und" mit Stoßerregung betreiben, als dies für Synchronmaschinen möglich ist. An einigen Ausführungsbeispielen soll das Wesen der Erfindung näher erläutert werden. In Fig. ι bezeichnet 1 eine Asynchronmaschine (Motor oder Generator). Der Läufer ist auf einen Kommutatorfrequenzwandler 2 geschaltet, der von 'einem besonderen Motor 3 angetrieben wird. Da der Frequenzwandler 2 keine Ständerwicklung besitzt, kann er kein Drehmoment ausüben; der Motor 3 braucht daher nur die Reibungsverluste des Frequenzwandlers zu liefern und wird daher sehr klein. Ferner sind die Reibungsverluste des Frequenzwandlers von der Belastung unabhängig, so daß die Drehzahl des Motors 3 und damit die Kommutatorfrequenz des Frequenzwandlers von Belastungsschwankungen des Hauptmotors nicht beeinflußt werden. Den Schleifringen des Frequenzwandlers wird nun dadurch ein belastungsunabhängiger Strom zugeführt, daß diese Schleifringe über eine Drosselspule 6 an die Netzspannung angeschlossen sind. Die Drosselspule ist derart bemessen, daß ihr Widerstandswert ein Vielfaches des an den Schleifringen maximal auftretenden Scheinwiderstandes ist. Der Strom der Drosselspule, der über den Frequenzwandler 2 auch in den Sekundärstromkreis der Maschine 1 geleitet wird, ist daher unabhängig von Änderungen des Widerstandswertes in diesem Sekundärstromkreis.

Den Schleifringen des ' Frequenzwandlers ist in Parallelschaltung zu der Drosselspule 6 noch der Sekundärstrom eines Stromtransformators 4 zugeleitet, dessen Primärwicklung mit der Ständerwicklung der Hauptmaschine 1 in. Reihe geschaltet ist. Da die Drosselspule 6 den geschilderten großen Widerstandswert besitzt, so können sich der Strom der Drosselspule und der Sekundärstrom des Transformators 4 im Frequenzwandler und im Sekundärkreis der Maschine 1 ohne gegenseitige Rückwirkung überlagern. Bei einem Betrieb der Maschine 1 als Generator erhält man mit der beschriebenen Anordnung einen Asynchrongenerator, der bezüglich Spannungshaltung bei plötzlichen großen Belastungen jedem Synchrongenerator überlegen ist. Durch die Drosselspule wird die Leerlauf erregung geliefert, durch den Kompoundtransformator die belastungsabhängige Erregung. Mit jedem Belastungsstoß ändert sich selbsttätig die sekundäre Strom durchflutung, für deren raschesten Anstieg einmal die kleine Zeitkonstante der Asynchronmaschine, andererseits, die große Spannungsreserve einer Stromtransformatorschaltung zur Verfügung steht. Eine unter Umständen erforderliche Regelung braucht sich nur auf den Ausgleich geringer Abweichungen des sekundären Strombelags von

seinem Sollwert zu beschränken. Man kann zu diesem Zweck den Transformator 4 bzw. einen besonderen Zwiscbentransf ormator regelbar machen oder parallel zu den Schleifringen des Frequenzwandlers oder der Hauptmaschine regelbare Widerstände, Drosseln u. dgl. schalten, die von der Netzspannung geregelt werden.

Der Strom der Drosselspule 6 ist in Fig. 1 unmittelbar den Schleifringen des Frequenzwandlers 2 zugeleitet. Man kann aber auch einen Stromtransformator dazwischenschalten, der einerseits als Isoliertransformator wirkt, wenn etwa im Netz Hochspannung vorhanden ist, und der andererseits regelbar ausgebildet sein kann. An diesem regelbaren Stromtransformator kann dann die Größe des von der Drosselspule den Schleifringen des Frequenzwandlers zugeführten -Stromes eingestellt werden.

In Fig. 2 besitzt der Frequenzwandler 2 eine Ständerwicklung, die einen Teil der Läuferamperewindungen kompensiert. Während beim unkompensierten Frequenzwandler der ganze Läuferstrom der Hauptmaschine mit dem Schleifringstrom des Frequenzwandlers verglichen wird, geschieht dies jetzt nur noch mit einem Teil. Der andere Teil wird durch die Kompensationswicklung in seiner magnetischen Wirkung aufgehoben. Dadurch wird der Schleifringstrom wesentlich kleiner. Um den einwandfreien Vergleich beider Ströme besser zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, den eigenen Erregerstrom des Frequenzwandlers durch parallel geschaltete Kondensatoren 7 aufzubringen. Infolge der S tänder wicklung übt nun der Frequenzwandler ein mechanisches Moment aus. Ein Teil der Schlupfleistung der Hauptmaschine geht daher über den Antriebsmotor 3 vom bzw. zum Netz. Würden z. B. Frequenzwandler 2 und Antriebsmotor 3 mit gleicher Polzahl ausgeführt werden, so müßten beide bei untersynchronem Motorbetrieb der Hauptmaschme 1 übersynchron laufen, weil nur so die Maschine 3 als Asynchronmaschine generatorisch ins Netz zurückliefern könnte. Wählt man dagegen die Polzahl von 3 größer als die von 2 oder führt man 3 als regelbaren Motor aus, so kann 2 auch untersynchron arbeiten.

In Fig. 3. ist schließlich der Erfindungsgedanke an einer Anordnung mit ständererregter Kommtitatorhintermaschine verwirklicht. Der Frequenzwandler 2 erregt hierbei die Hauptmaschine 1 nicht direkt, sondern über die ständer erregte Kommutatorhintermaschine 8. Diese besitzt, wie üblich, Wende-■ pole und Kompensationswicklung. Der Frequenzwandler 2 besitzt zwei Wicklungen im Ständer. Die eine ist mit dem Kommutator und mit der Erregerwicklung der Maschine 8 verbunden und dient als Kompensationswicklung für den an die Erregerwicklung der Maschine 8 gelieferten Strom, so daß dieser keinerlei magnetische Wirkungen im Frequenzwandler hervorrufen kann. Über die zweite Wicklung wird der Läuferstrom der Hauptmaschine geführt; sie dient zum Vergleich 'dieses Stromes mit dem vom Transformator 4 gelieferten Strom. Der eigene Erregerstrom des Frequenzwandlers soll durch Kondensatoren 7 aufgebracht werden. Bei jeder Abweichung des Läuferstromes von seinem Sollwert wirkt der Strom von 4 zusätzlich erregend auf "den Frequenzwandler, der seinerseits die Erregung der Hintermaschine 8 im- Sinne einer sofortigen Wiederherstellung des Sollwertes beeinflußt. Man kann auch den Frequenzwandler 2 der Fig. 3 in zwei, Maschinen 9 und ι ο auflösen, wie es strichliert in der Alternative der Fig. 3 angedeutet ist. 9 ist ein normaler kompensierter Frequenzwandler, der 'die Kommutatorhintermaschine erregt, 10 eine normale Asynchronmaschine, die dem Stromvergleich dient. Die Läuferwicklungen beider Maschinen sind an gemeinsame Schleifringe geführt; über den Ständer der Maschine 10 fließt der Läuferstrom der Hauptmaschine. Der Kondensator 7 liefert den Erregerstrom für beide Maschinen. Die Anschlüsse an die Erregerwicklung bzw. an den Läuferkreis der Hauptmaschine sind gestrichelt angedeutet. Bei jeder Abweichung des Läuferstromes von seinem Sollwert wird ein Teil des von 4 gelieferten Stromes nach 9 gedrängt, so daß unter dem Einfluß der zusätzlichen Erregung der Sollwert des Läuferstromes auf schnellstem Wege wiederhergestellt wird.

Die Anordnungen nach Fig. 2 und 3 haben die Eigenschaft, daß bei Belastung der Hauptmaschine auch der Antriebsmotor 3 mehr oder wieniger belastet wird. Das hat zur Folge, daß sich der Schlupf 'dieser Maschine und damit auch der der Hauptmaschine ändert, so daß diese ihren wertvollen asynchronen Charakter beibehält. Man kann es dabei so einrichten, daß bei Leerlauf, wo die Schlupfleistung von ι verschwindend klein ist und die Maschine 3 zur Deckung der Leerlauf Verluste des Erregersatzes daher motorisch arbeiten muß, die Hauptmaschine schwach übersynchron arbeitet. Sobald die Hauptmaschine stärker belastet wird, veranlaßt die wachsende Schlupfleistung ein generatorisches Arbeiten der Maschine 3, so daß diese in den Übersynchronismus, die Hauptmaschine dagegen in den Untersynchronismus kommt. Im Gegensatz dazu beeinflußt bei der Anordnung nach Fig. ι die Belastung der Hauptmaschine die Drehzahl des Erregersatzes nicht, so daß sich die Hauptmaschine bezüglich der einmal ein-

gestellten Drehzahl wie eine Synchronmaschine verhält. Bezüglich der übrigen Eigenschaften, Überlastung, Winkelabweichung, Stoßerregung usw., ist sie jedoch der Synchronmaschine bei weitern überlegen. Bei allen genannten Schaltungen wird der Läuferstrom mit dem Ständerstrom der Hauptmaschine auf seinen Sollwert verglichen; die im Sekundärkreis erforderliche Spannung stellt sich dabei selbsttätig ίο ein.

Anwendungsgebiete der neuen Schaltung sind in erster Linie alle Anlagen, bei denen es darauf ankommt, die als Motor oder Generator arbeitende Maschine gegen plötzliche Belastungsänderungen möglichst unempfindlich zu machen. Als Anwendungsbeispiel für eine Schaltung nach Fig. ι sei der Antrieb von Telenerggeneratoren genannt. Weitere Anwendungen betreffen allgemein Asynchrongeneratoren, die auf diese Weise sehr vollkommen unempfindlich gegen Belastungsänderungen werden und hinsichtlich Anpassung des sekundären Strombelags an die Belastung in einer Weise eine Überlegenheit über die Synchronmaschine gewinnen, die diese wegen ihrer einachsigen Erregung und ihrer großen Zeitkonstante gar nicht ausgleichen kann. Auch für elektrische Schiffspropellerantriebe bietet die Schaltung ungemeine Vorteile. Bei den durch Schaltmanöver und die Eigenart des Antriebs (wechselnder Seegang) auftretenden plötzlichen Be- und Entlastungen ist der Synchronmotor wegen seiner großen Trägheit des Erregerkreises äußerst empfindlich und erfordert besondere Maßnahmen zur Schnellerregung bei sich und den ihn speisenden Generatoren. Der normale Asynchronmotor ohne Erregermaschine wäre an sich ein idealer Antriebsmotor; doch ist sein großer Blindleistungsbedarf für die Generatoren untragbar, da sie unzulässig in ihren Abmessungen vergrößert werden und außerdem noch weitgehendere Maßnahmen zur Stoßerregung hei Belastungsstößen erforderlich sind als im ersten Fall. Diese Nachteile werden in idealer Weise durch die neuen Anordnungen beseitigt. Da es sich meist um größere Leistungen handelt, kommt dafür die Schaltung nach Fig. 3 in Betracht, und zwar entweder in der dargestellten vollkommenen Weise oder in der vereinfachten Weise mit der Maschine 2 als normaler unkompensierter Frequenzwandler. Die Schaltung bringt durch die in ihr selbst liegende Automatik auf schnellstem Wege die erforderliche Anpassung des Läuferstrombelags an die Belastung; der Leistungsfaktor kann in weiten Grenzen der Belastung auf 1 oder sogar auf Voreilung gehalten werden, so daß die Generatoren einmal recht günstige Abmessungen erhalten, andererseits ihre Erregung unter den denkbar günstigsten Verhältnissen erfolgen kann. Namentlich durch die Möglichkeit, die Motoren mit Voreilung zu betreiben, kann man sich dem Idealfall konstanter Erregung der Generatoren nähern, zumal wenn man bedenkt, daß Schwankungen der Klemmenspannung in diesem Fall nicht die Rolle spielen wie sonst. Da mit den Propellermotoren keinerlei Hilfsmaschinen gekuppelt zu werden brauchen, besteht für den Propellermotor völlige Freiheit hinsichtlich seiner Kupplung mit dem Propeller selbst. Dies gilt sowohl für normale Propellermotoren als auch für Voith-Schneider-Antriebe. Die Ausführung des Propellermotors als Asynchronmotor bietet weiter die Vorteile des leichten Anlassens., Umsteuerns und Bremsens.

Speist man den Läufer der Hauptmaschine nur mit einem konstanten belastungsunabhängigen Strom, z. B. mit dem Strom der Drosselspule 6 bei der Anordnung nach Fig. 1, so besitzt 'die Hauptmaschine bei allen Belastungen den gleichen Läuferstrombelag, was sich in der Weise auswirkt, daß bei Leerlauf die-Maschine die volle Blindleistung abgibt und bei Vollast mit cos φ = ι arbeitet, um schließlich mit weiter wachsender Belastung Nacheilung ,aufzuweisen, d. h. bei dieser Belastung bleibt die Scheinleistung der Maschine go (!einschließlich Erregerleistung) konstant. Die erforderliche Läuferspannung regelt sich auch hierbei selbsttätig mit der Belastung, ohne daß dafür besondere Regelorgane erforderlich sind.

Bei den oben behandelten Beispielen wird der Frequenzwandler durch einen besonderen Motor angetrieben, oder ist mit dem Antriebsmotor der von ihm erregten Kommutatorhintermaschine gekuppelt. In manchen Fällen kann er auch Selbstantrieb mittels einer Wicklung im Ständer erhalten.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung zur Erregung von Asynchronmaschinen, deren Sekundärteil durch einen unabhängig von der Asynchronmaschine und regelbar ,angetriebenen, nicht oder nur teilweise kompensierten Kommutatorfrequenzwandler gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß den Schleifringen des Frequenzwandlers über einen Scheinwiderstand (Drosselspule,. Blindleistungsmaschine usw.), dessen Widerstandswert ein Vielfaches des an den Schleifringen des Frequenzwandlers auftretenden Scheinwiderstandes ist, ein belastungsunabhängiger Strom zugeführt wird.
2. 2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch · " gekennzeichnet, daß der Kommutatorfrequenzwandler den Sekundärteil der Asynchronmaschine mittelbar über eine die

   Schlupfleistung der Asynchronmaschine verarbeitende Kommutatorhintermaschine speist und daß der Kommutatorfrequenzwandler eine Kompensationswicklung finden zur Erregung der Kommutatorhintermaschine dienenden Strom und eine besondere Vergleichs wicklung im Ständer für den Läuferstrom der Hauptmaschine besitzt.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutatorfrequenzwandler in zwei Maschinen, einen normalen kompensierten Frequenzwandler, der lediglich zur Erregung der Kommutatorhintermaschine dient, und in eine lediglich dem Stromvergleich dienende Induktionsmaschine, aufgelöst ist.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom des Scheinwiderstandes über einen regelbaren Stromtransformator den Schleifringen des. Kommutatorfrequenzwandlers zugeleitet ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen