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Einrichtung zur Verhütung von Leistungspendelungen bei Synchronmaschinen
Mit Kolbenmaschinen gekuppelte Synchronmaschinen neigen wegen der Ungleichförmigkeit
des mechanischen Drehmoments zu elektrischen Leistungspendelungen. Um Parallelbetriebsstörungen
und Schwankungen des Netzzustandes möglichst zu vermeiden, ordnet man z. B. zusätzliche
Schwungmassen an. Die Erfindung bezieht sich auf eine wesentlich vorteilhaftere
Einrichtung zur Verhütung von Leistungspendelungen bei Synchronmaschinen und besteht
darin, daß der Erregerteil der Synchronmaschine außer einer mit konstantem Strom
erregten Feldachse eine dagegen um einen unveränderlichen Winkel versetzte, mit
einem dem Arbeitsstrom der Maschine verhältnisgleichen Strom erregte Feldachse hat.
Es wird hierdurch in an sich bekannterWeise die Winl#--ellage ;des resultierenden
Erregerfeldes zurr Erregerteil in solcher Weise beeinflußt, daß die Leistungspendelungen
geringer werden. Synchronmaschinen mit mehrachsiger Felderregung, in denen eine
Feldachse mit konstantem Strom erregt ist, sind an sich bekannt; in den bekannten
Ausführungen ist aber die konstant erregte Feldachse nicht mit einer hiergegen um
einen unveränderlichen Winkel versetzten, stromabhängig erregten Feldachse verbunden.
Andererseits ist es bekannt, den Erregerteil von Synchronmaschinen mit zwei gegeneinander
starren Feldachsen auszustatten, die aber beide veränderliche Erregung erhalten.
Es wird daher nicht die im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele beschriebene
Wirkungsweise der Erfindung erreicht.
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Der Erfindungsgedanke wird insbesondere in der Weise verwirklicht,
daß der Erregerteil der Synchronmaschine zwei gegeneinander um einen starren Winkel
versetzte Feldwicklungen enthält, deren eine aus einer von
der Belastung
der Synchronmaschine unabhängigen Gleichstromquelle gespeist wird, während die andere
in einer Stromschaltung über Gleichrichter aus dein Belastungsstromkreis der Synchronmaschine
oder aus euer von deren Belastung abhängigen anderen Wechselstromquelle erregt wird.
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Im folgenden soll die Erfindung näher an Hand zweier Ausführungsbeispiele
erläutert werden, die in den Fig. i und 2 wiedergegeben sind.
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Fig. i zeigt eine Kompoundierungsanordnung zur Verhütung von Leistungspendelungen
bei Synchronmotoren zum Antrieb von Kolbenkompressoren, die mit angenähert konstantem
Leistungsfaktor arbeiten. Der Läufer der S_vnchroninaschine S erhält zwei aufeinander
senkrecht stehende Erregerwicklungen, von denen die `'Wicklung i durch die Erregermaschine
3 konstant erregt wird, während die Wicklung 2 über die Gleichrichteranordnung .I
vom Stromwandler 5 ini Primärkreis des Synchronmotors gespeist wird. Die Wirkungsweise
der Schaltung geht aus den Fig. 3a und 31) hervor. Der Primärstrom l1 des
Synchronmotors zeigt den unter Einfluß der schwankenden Drehkraft in der Fig. 3a
dargestellten zeitlichen Verlauf. Durch die mehrphasige Gleichrichteranordnung werden
die Wechselströme schwankender Amplitude in einen pulsierenden Gleichstrom ill verwandelt,
dessen Mittelwert il. (vgl. Fig.-3b) verhältnisgleich dem effektiven Primärstrom
ist. Mit diesem Strom wird die Erregerwicklung gespeist. Die Induktivität der Erregerwicklung
spielt dabei keine Rolle, da der Strom in der Erregerwicklung durch den Primärstrom
erzwungen wird. Sie hat nur Einfluß auf die Größe des Stromwandlers 5, der so bemessen
sein muß, daß die erforderliche Spannung an der Erregerwicklung sich selbsttätig
einstellen kann. Von Wichtigkeit ist die Stromrichtung in der Erregerwicklung. Sie
muß so eingestellt werden, daß eine Vergrößerung des Erregerstromes ii, in der Wicklung
2 eine Verkleinerung des Winkels 0 zwischen Feldvektor E, und Klemmenspannung
U hervorbringt, und umgekehrt. Wenn unter Einfluß der schwankenden Drehkraft
des Kompressors der Läufer gegenüber dem synchron umlaufenden Netzvektor LT zurückbleibt,
wird der Primärstrom größer werden und damit auch der Erregerstrom ill in der Wicklung
2, so daß die resultierende Erregung iin richtigen Sinme verschoben wird und der
Winkel 0,
der mit Zurückbleiben des Läufers größer werden müßte, wieder verkleinert
wird. Die Stromänderung kann damit nicht so groß werden, als es der relativen Winkeldrehung
des Läufers gegenüber dem Netzverkehr entsprechen würde. Eine gewisse Stromänderung
und damit Änderung des Winkels 0 muß natürlich auftreten, denn die Einrichtung arbeitet
als statische Kompoundierung. Durch Wahl des Übersetzungsverhältnisses des Stromwandlers
hat man es in der Hand, den Grad der Kompoundierung und damit die Verkleinerung
der primären Stromschwankungen festzulegen. Der Motor behält den Charakter einer
Synchronmaschine, denn zu jeder primären Leistung gehört ein bestimmter mittlerer
Erregerstrom ill. in der Querachse 2 der Erregung, so daß sich der Läufer immer
entsprechend der geforderten Belastung einstellen kann. Nur die Pendelungen um den
mittleren Winkel werden mehr oder weniger ausgeglichen, je nach dem Grad der Kompoundierung.
Die Schaltung bringt auch noch einen weiteren Vorteil mit sich, indem nicht nur
die Leistungspendelungen weitgehend verringert werden, sondern außerdem noch eine
Erhöhung der resultierenden Erregung mit Vergrößerung der Belastung eintritt, so
daß die Überlastungsfähigkeit der Synchronmaschine und die Spannungshaltung v er=
bessert wird.
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Während die einfache in Fig. i dargestellte Schaltung hauptsächlich
für synchrone Kompressormotoren in Frage kommt, die mit praktisch konstantem Leistungsfaktor
arbeiten, ist in Fig. 2 eine Schaltung dargestellt, die besonders für Dieselgeneratoren,
die mit stark veränderlichem Leistungsfaktor arbeiten, geeignet ist.
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Um den störenden Einfluß der veränderlichen Blindströme auf den Winkel
0 nach der Schaltung gemäß Fig. i zu beseitigen, wird ein unter Einfluß der ungleichförmigen
Drehmomente schwankender Wechselstrom in einer besonderen synchronen Wechselstrominaschine
io erzeugt, die unmittelbar oder über Getriebe mit der Hauptmaschine S gekuppelt
ist. Die Größe des Wechselstromes wird durch eine Drosselspule ii vorgeschrieben;
gegebenenfalls kann mit der Drosselspule ein Kondensator in Reihe geschaltet werden,
um die Modelleistung der Wechselstrommaschine io zu verkleinern. Dieser Strom wird
über die Gleichrichteranordnung 12 der Erregerwicklung 2 zugeführt. Die Drosselspule
i i kann wegfallen, wenn man die Maschine io mit großer Streuung ausführt. Der von
der Maschine io abgegebene Strom ist dann ein Abbild des Drehkraftdiagrainines der
Kolbenmaschine, wobei die durch das synchronisierende Moment bedingten Wirkströme
und die Blindströme der Hauptmaschine. die bei der Schaltung nach Fig. i wirksam
waren, auf die Erregung ohne Einfluß bleiben.
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Die Fig. 3 c und 3 d geben die Betriebsdiagramme der Synchronmaschine
für den Fall des Generatorbetriebes und für den Fall
des Motorbetriebes
wieder. Mit gestrichelten Linien sind in den beiden Diagrammen die Amperewindungen
wiedergegeben. AW2l und AW2tr sind die Vektoren der Läufererregung. Der resultierende
Vektor ist mit AW= bezeichnet. Aus dem Vektor AW@ -und dein Vektor AW1 der
Ständeramperewindungen ergeben sich die resultierenden Amperewindungen AW,. Senkrecht
zu dem Vektor AW steht der Vektor der Leerlaufklemmenspannung Ea. El ist der Vektor
:der bei Belastung auftretenden EwIK der Maschine. Aus dem Vektor El und dem Streuspannungsabfall
E ergibt sich der Vektor U der Klemmenspannung, der gegenüber dem Vektor E, um den
Winkel O verschoben ist. J1 bedeutet den Stromvektor. Der Vektqr J1 ist gegenüber
der Klemmenspannung U um den Winkel .t@ verschoben. Wie aus den beiden Diagrammen
3 c und 3 d hervorgeht, muß die Richtung des Erregerstromes in der Wicklung 2 .
im Generatorbetrieb gegenüber dem Motorbetrieb umgekehrt werden. Bei der Schaltung
nach ' Fig. 2 bleibt der Mittelwert der pulsierenden Erregung in der Querachse 2
unabhängig von der Belastung konstant.
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Zur Umformung der schwankenden Wechselströme in pulsierende Gleichströme
können Trockengleichrichter, Quecksilberdampfgleichrichter, Glühkathodengleichrichter
oder synchron mit dem Netz angetriebene Schaltstromrichter oder umlaufende Kommutatorumformer
verwundet werden. Bei Verwendung von umlaufenden Kommutatorumformern, beispielsweise
nach Art der Frequenzwandler oder Einankerumformer ohne Erregung und Kompensationswicklung,
ist eine Umschaltung des Erregerstromes in der Querachse beim Übergang von Motor-
auf Generatorbetrieb der Synchronmaschine in der Schaltung nach Fig. Synchronmaschine
nicht erforderlich.
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Bei Speisung über Gleichrichter kann die Umschaltung selbsttätig beim
übergang von Motor- auf Generatorbetrieb beim Stromwert Null durchgeführt werden.
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Der Kompoundierungsgrad kann bei der Schaltung gemäß Fig. i durch
Änderung der Anzapfungen am Stromwandler 5 geändert werden. Bei der Anordnung nach
Fig. 2 kann der Kompoundierungsgrad durch Änderung der Erregung der Maschine io
verstellt werden. Durch Vergrößerung der Polzahl der Maschine io gegenüber der Polzahl
der Hauptsynchronmaschine S kann eine weitgehende Verstärkung der Strompendelungen
in der Querachse herbeigeführt werden, ohne daß der Mittelwert des Gleichstromes
vergrößert wird.
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Die angegebenen Anordnungen können auch bei Synchronmaschinen, die
ohne Verbindung mit Kolbenmaschinen arbeiten, also beispielsweise Turbogeneratoren
und Blindleistungs-# maschinen, angewendet werden, um eine Erhöhung der dynamischen
Stabilität zu erreichen.
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Die Erregung der beiden Achsen kann nach Fig. d. beispielsweise auch
über einen Gleichrichter 13 erfolgen, wenn die beiden Erregerwicklungen hintereinandergeschaltet
werden und der Verbindungspunkt mit der Kathode 14 .des Gleichrichters verbunden
wird. Der Gleichrichter 13 erhält dann zwei Anodensysteme 15 und 16, von
denen das eine, 15, an einen Spannungstransformator 17 und das andere, 16, aif einen
Stromwandler 5 angeschlossen wird. Die Spannungsregelung kann mit Hilfe von Anzapfungen
am Spannungstransformator oder durch Gittersteuerung der zugehörigen Anoden ausgeführt
werden.