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Von einem Einphasennetz gespeiste oder es speisende Drehstromsynchronmaschine
Schließt man eine Drehstromsynchronmaschine an ein Einphasennetz an, entweder um
das Einphasennetz generatorisch zu speisen oder sie als Motor zu betreiben, so ist
eine dem Anschluß an ein Drehstromnetz entsprechende volle Ausnutzung der Drehstrommaschine
auch dann nicht möglich, wenn man die drei Phasen der Maschine in einer Schaltung
an das Einphasennetz anschließt, in der sie alle an der Stromlie erung bzw. an der
Stromaufnahme beteiligt sind. Es zeigt sich vielmehr, daß in der Maschine sowohl
bezüglich der Ströme als auch bezüglich der Spannungen mit- und gegenläufige Drehfeldsysteme
entstehen, wobei für die Nutzleistung der Maschine nur die mitläufigen Systeme maßgebend
sind. Beispielsweise zeigt Fig. I der Zeichnung eine Schaltung, bei der die drei
Phasen UVW einer Drehstrommaschine in Stern geschaltet und mit zwei äußeren Phasenenden
an den einen Pol eines einphasigen Verbrauchers Z angeschlossen sind, während das
dritte Phasenende mit dem anderen Pol dieses Verbrauchers verbunden ist. Dabei sind
alle drei Phasen an der Stromlieferung für den Verbraucher Z beteiligt. Zerlegt
man gemäß bekannten Untersuchungsmethoden für die Schaltung der Fig. I sowohl die
Belastungsimpedanz Z als auch die in den einzelnen Phasen UVW auftretenden Ströme
und Spannungen in mitläufige und in gegenläufige Komponenten, so ergibt sich, daß
für die Phase U sowohl die mitläufige Phasenspannung Ui
als auch
die gegenläufige Phasenspannung U2 gleich ist 1/3 der Spannung Uuv am Verbraucher
Z. Die weiteren Untersuchungen zeigen jedoch, daß bei der Schaltung der Fig. I unter
dem Einfluß der mit- und gegenläufigen Strom- und Spannungskomponenten der einzelnen
Phasen einerseits die für die Erzeugung der mitläufigen Komponenten erforderliche
Erregung sehr stark vergrößert wird, andererseits in den beiden Phasen V und W unzulässig
hohe, aus mit- und gegenläufigen Komponenten zusammengesetzte Gesamtströme auftreten,
die für eine bestimmte, als Beispiel gewählte Belastung etwa das Vierfache des Normalstromes
betragen können.
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Die Erfindung setzt sich nun zur Aufgabe, an einer derartigen Drehstromsynchronmaschine,
an der die drei Phasen in Stromverzweigung an das Einphasennetz angeschlossen sind,
eine ungleichmäßige Strombelastung der drei Phasen zu vermeiden bzw. nur das Auftreten
von mitläufigen Stromkomponenten an den drei Phasen zuzulassen, so daß die Drehstrommaschine,
trotzdem sie an ein Einphasennetz angeschlossen ist, genauso wie eine an ein Drehstromnetz
angeschlossene und symmetrisch belastete Maschine ausgenutzt ist. Erfindungsgemäß
wird dies dadurch erreicht, daß das durch die einphasige Belastung an der Drehstrom
Synchronmaschine hervorgerufene gegenläufige Stromsystem durch eine zweite Drehstromsynchronmaschine
kompensiert wird, die durch entsprechende Schaltung mit der ersten Drehstrommaschine
dieser eine gegenläufige Drehstromspannung aufdrückt und dadurch das gegenläufige
Stromsystem in der ersten Drehstrommaschine kompensiert.
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Bei der Schaltung nach Fig. I wird also das gegenläufige Stromsystem,
dessen Phasenspannung U2 - wie oben zitiert - gleich ist 1/3 der am Verbraucher
Z auftretenden Gesamtspannung, durch ein von der zweiten Drehstrommaschine erzeugtes,
bezüglich der ersten Drehstrommaschine gegenläufiges Spannungssystem kompensiert,
so daß die erste Maschine in den drei Phasen nur symmetrisch verteilten mitläufigen
Verbraucherstrom führt, trotzdem an der äußeren Belastung Einphasenstrom vorhanden
ist. Das gegenläufige Spannungssystem der zweiten Drehstrommaschine muß dabei mit
seinen Phäsenspannungen in der Größe gleich sein 1/3 der einphasigen Verbraucher-oder
Nutzspannung Uuv, außerdem muß es mit dieser Spannung bezüglich der Phasenspannung
U2 in der Phasenlage übereinstimmen.
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Fig. 2 der Zeichnung zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung das
Schaltungsschema für die mit einer zweiten Drehstrommaschine II als Symmetriermaschine
ausgerüsteten Schaltung der Fig. I. An beiden Maschinen I und II läuft das Erregerdrehfeld
gemäß den eingezeichneten Pfeilen entgegen dem Uhrzeiger um. Die einander entsprechenden
Phasen UI und UII, der beiden Maschinen sind in Reihenschaltung an die obere Leitung
des Einphasennetzes angeschlossen. Die Phase VII der Maschine II ist jedoch mit
der Phase WI der Maschine I in Reihe geschaltet, ebenso die Phase WII mit der Phase
VI. Das hat zur Folge, däß in den durch die Reihenschaltung gebildeten Gesamtphasen
das Erregerfeld in der Maschine I gegenüber der Maschine II Spannungen entgegengesetzter
Phasenfolge induziert. Schließlich sind dann die so gebildeten Gesamtphasen an der
Maschine II zu einem Sternpunkt vereinigt. Außerdem sind die äußeren Enden der Gsamtphasen
VII, WI und WII, VI in Parallelschaltung an die untere Leitung des Einphasennetzes
angeschlossen.
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Fig. 3 zeigt das Spannungsdiagramm, wobei - abweichend von Fig. 4
- die Bezeichnungen der Spannungsvektoren mit den Phasenbezeichnungen der Fig. 2
übereinstimmen. Nimmt man an, daß die beiden Erregerfelder an den Phasen UI und
UII zur gleichen Zeit gleichgerichtete maximale Spannungen induzieren, so kann man
diese Spannungen gemäß Fig. 3 vektoriell in gleicher Richtung aneinandersetzen.
In der Reihen-Schaltung der Wicklungen der Gesamtphasen für den Anschluß an das
Einphasennetz sind nun die Phasenteile VII, WI und WII, VI parallel geschaltet.
Die Phasenlage ihrer Spannungen ist aus dem Diagramm der Fig. 3 zu ersehen, wobei
zu berücksichtigen ist, daß gegenüber der Phase U die Phasen W und V in die Reihenschaltung
gegensinnig eingefügt sind. Man sieht, daß die beiden parallelen Wicklungsstränge
zwei gleich große und in der Phasenlage übereinstimmende Spannungen VWI,II liefern,
die also durch die Verbindung der, Phasenenden ohne weiteres parallel geschaltet
werden können. Die untereinander gleich großen Spannungen UI, UII und VWI,II liefern
dann in Reihenschaltung die Spannung Uuv, des Einphasennetzen.
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Bei Belastung der Gesamtanordnung treten zu den durch die Erregerfelder
erzeugten Spannungen an den drei Phasenwicklungen noch an der ersten Drehstrommaschine
die von der Ankerrückwirkung des mitläufigen Belastungsstromes erzeugte Reaktanzspannung,
deren Synchronreaktanz mit XdI bezeichnet ist, ferner an der zweiten Drehstrommaschine
die durch das gegenläufige Stromsystem erzeugte Spannung, deren Inversreaktanz mit
X2II bezeichnet ist. Es ergibt sich dabei das Spannungsdiagramm gemäß der Fig. 4.
In diesem Diagramm ist die Spannung Uuv, die Spannung des Einphasennetzes. Wie bereits
angegeben, ist mit dieser Spannung gleichphasig die mitläufige Phasenspannung U1.
Sie ist - wie dargestellt -1/3 von Uuv. Gleichphasig mit der Spannung U1 ist die
vom Polrad der Maschine II in der Phase UII induzierte Spannung E2 des gegenläufigen
Spannungssystems dieser Maschine. Sie dient - wie geschildert- . zur Unterdrückung
des gegenläufigen Stromsystems. Zu der Spannung U1 tritt nun noch in der Phase U
der Spannungsabfall infolge der mitläufigen Synchronreaktanz an der Maschine I und
der Inversreaktanz an der Maschine Il. Diese mit Ju ₧ (X"I + X2II) bezeichnete
Spannung, deren Phasenlage durch den cos 9 des äußeren Belastungsstromes Ju bestimmt
ist, setzt sich mit der Spannung U1 vektoriell zu der Spannung E1 zusammen. Dieser
Spannung E1 muß in Phasenlage und Größe die Polraderregung an der Maschine I entsprechen.
Die Erregung an der Maschine II ist durch den Vektor E2 gegeben, der durch die Belastung
der Gesamtanordnung nicht beeinflußt wird.
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Da nun der Vektor E2 (Polradspannung der Maschine II) immer in Phase
mit der Spannung des Einphasennetzes U"7, liegen muß; während die Polraderregung
der
Maschine I entsprechend Ju ihre Phasenlage ändert, so zeigt das Diagramm der Fig.
4, daß die Symmetriermaschine II entweder einen verdrehbaren Ständer oder eine zweiachsige
Erregung für die Verdrehung des Erregerfeldes relativ zum Läufer erhalten muß. Im
Generatorbetrieb muß E2 um den Belastungswinkel ü zwischen F1 und Uuv zurückgedreht,
im Motorbetrieb vorgedreht werden. Das gleiche Ziel kann natürlich auch dadurch
erreicht werden, daß die geschilderten Verdrehungen an der Maschine I oder auch
an beiden Maschinen vorgenommen werden. Aus dem Diagramm der Fig. 4 ist ferner zu
ersehen, daß die erforderliche Erregung E1 mit der Belastung zwar ansteigt, jedoch
ist dieses Ansteigen nicht so groß wie bei der Anordnung der Fig. I, bei der die
Symmetriermaschine fehlt und bei der unter gleichen Verhältnissen E1 auf den Betrag
2,6 ansteigt gegenüber dem Betrag I,88 bei Anordnung mit der Symmetriermaschine.
Dabei ist eine Synchronreaktanz XdI von o,8 und eine Inversreaktanz X2II = o,3 vorausgesetzt.
Die erforderliche Erregung E1 für die Anordnung der Erfindung ist gegenüber normalem
Drehstrombetrieb etwas größer, weil das mitläufige Stromsystem auch noch die Maschine
II durchläuft, für die es gegenläufig ist, so daß zu der Synchronreaktanz der Maschine
I (XdI) noch die Inversreaktanz (X2II) hinzukommt. Für die Maschine I kann jedoch
ein normaler Drehstromgenerator ohne Dämpferwicklung verwendet werden.
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An der zweiten Drehstrommaschine läuft das vom Belastungsstrom erzeugte
Drehfeld gegenüber dem Erregerfeld gegenläufig um. Die Maschine muß daher am Erregerteil
eine Dämpferwicklung erhalten. Dafür braucht aber die Maschine II nur für die Leerlauferregung
bemessen zu sein, da E2 stets gleich
ist Die Dämpferwicklung kann daher leicht ohne Modellvergrößerung untergebracht
werden. Hinzu kommt noch, daß an der Maschine II der Luftspalt nicht wie bei Synchronmaschinen
mit Rücksicht auf die Ankerrückwirkung bemessen werden muß, da eine solche zum Erregerfeld
mitläufige Ankerrückwirkung nicht vorhanden ist. Man kann daher den Luftspalt an
der Symmetriermaschine sehr viel kleiner halten und ihn beispielsweise ähnlich wie
bei Asynchronmaschinen nur mit Rücksicht auf die mechanischen Erfordernisse bemessen.
Die Synchronreaktanz der Maschine II kann also entsprechend dem kleinen Luftspalt
sehr groß gewählt werden, es sind also für die Erzeugung der gegenläufigen Spannung
E2 nur geringe Erregeramperewindungen erforderlich. Dadurch wird der für die Dämpferwicklung
zur Verfügung stehende Raum am Erregerteil noch weiter vergrößert. Diese Verringerung
des Luftspaltes wirkt sich auch für die Wegdämpfung der Ständeramperewindungen günstig
aus, da die magnetische Streuung zwischen Ständer und Läufer vermindert wird.
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Vergleicht man die Anordnung nach der Erfindung mit zwei Einphasenmaschinen
gleicher Modellgröße, die in normaler Parallelschaltung an ein Einphasennetz angeschlossen
sind, so ergeben sich folgende Unterschiede. Die aus den zu vergleichenden Anordnungen
entnehmbare Leistung steht im Verhältnis so daß also aus den normalen Einphasen-
maschinen eine um I5% höhere Leistung entnehmbar ist. Die Anordnung nach der Erfindung
weist aber folgende, den Nachteil der geringeren Leistungsentnahme weitaus überwiegende
Vorteile auf. Die eine Drehstrommaschine kann als normale Drehstrommaschine gebaut
werden, wobei infolge der vollständig symmetrischen Drehstrombelastung von einer
Dämpferwicklung abgesehen werden kann und das Drehmoment nicht pulsiert. Dies ist
von ganz besonderem Wert bei I62/3periodigen Turbogeneratoren, die über Getriebe
(Zahnradübersetzung) arbeiten müssen. Die zweite Drehstrommaschine muß allerdings
eine Dämpferwicklung für die Wegdämpfung des gegenläufigen Belastungsfeldes aufweisen.
An dieser Maschine steht aber - wie geschildert - genügend viel Raum für die Unterbringung
einer kräftigen Dämpferwicklung zur Verfügung. Beispielsweise kann bei Verwendung
der Turbogeneratorbauart mit Walzenläufer für die beiden Drehstrommaschinen an der
Maschine mit Dämpferwicklung diese ganz oder zum großen Teil in den Nuten der Erregerwicklung
untergebracht werden, da der erforderliche Erregerwicklungsraum nur gering ist.
Würde man die zum Vergleich herangezogenen parallel geschalteten Einphasenmaschinen
verwenden, so müßten an beiden Maschinen für die Wegdämpfung des gegenläufigen Ankerrückwirkungsfeldes
Dämpferwicklungen vorgesehen werden, wobei aber außerdem an beiden Maschinen die
Erregung nicht nur für den Leerlauf, sondern auch für den infolge der mitläufigen
Ankerrückwirkung vermehrten Erregerbedarf bei Belastung zu bemessen ist. Dies führt
bereits bei vielpoligen Maschinen mit ausgeprägten Polen zu schwierigen Verhältnissen,
da die Dämpferwicklung in Verein mit der Erregerwicklung am Läufer nur schwer unterbringbar
ist. Bei Maschinen in der Bauart von Turbogeneratoren, also mit Walzenläufern, war
es bisher sehr schwierig, größere Maschinen für Einphasenstrom zu bauen, da kein
Raum für die Unterbringung einer genügend kräftigen Dämpferwicklung zur Verfügung
stand. Bei der Anordnung der Erfindung können jedoch beide Drehstrommaschinen die
Bauart von Turbogeneratoren mit Walzenläufer aus den geschilderten Gründen aufweisen.
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Man kann aber auch nur die erste Drehstrommaschine in der Bauart eines
Turbogenerators ausführen, während man für die zweite Symmetrierungsmaschine, eine
mehr als zweipolige Schenkelpolmaschine wählt, die eine einfache robuste Dämpferwicklung
ermöglicht und bei der nur erforderlichen Leerlauferregung in der Modellausnutzung
sehr günstig wird. Will man dabei eine Kupplung der beiden verschiedenpoligen Maschinen
über ein Getriebe vermeiden, so kann man für die Schenkelpolmaschine - wie später
noch geschildert - einen synchronen Antriebsmotor vorsehen. Zur Steigerung dieser
Modellausnutzung kann dann auch noch-wie angegeben-der Luftspalt besonders klein
gehalten werden, indem man lamellierte Polschuhe an den Erregerpolen vorsieht.
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Wie an Hand des Diagramms der Fig. ¢ bereits geschildert, erweist
es sich als zweckmäßig, die Erregerfelder der beiden Drehstrommaschinen gegeneinander
in der räumlichen Phasenlage verdrehbar auszubilden und sie bei Belastung gegeneinander
zu verdrehen.
Diese Verdrehung kann in an sich bekannter Weise durchgeführt
werden, indem man etwa an der einen oder an beiden Drehstrommaschinen den Ständer
verdrehbar ausbildet, oder indem an dem Erregerteil einer oder beider Drehstrommaschinen
das Erregerfeld in der Phasenlage gegenüber dem Erregerteil einstellbar ist. Zum
Beispiel kann man an der Drehstrommaschine mit Dämpferwicklung, an der die Erregung
als Leerlauferregung im wesentlichen konstant bleibt, die Erregung am Läufer auf
zwei aufeinander senkrecht stehende Erregerkomponenten bzw. -wicklungen aufteilen,
wobei zur Phasenverschiebung die eine Erregerkomponente vermindert, die andere erhöht
wird, derart, daß ihre vektorielle Summe konstant bleibt. Eine weitere Möglichkeit
der gegenseitigen Verstellung der beiden Erregerfelder in der räumlichen Phasenlage
besteht darin, daß man die beiden Drehstrommaschinen über eine verstellbare Kupplung
miteinander verbindet, die eine gegenseitige Verdrehung der Läufer der beiden Maschinen
(zweckmäßig während des Betriebes) ermöglicht. Derartige Kupplungen sind an sich
bekannt. Sie eignen sich insbesondere für kleinere Leistungen. Diese Anpassung der
Erregerfelder der beiden Drehstrommaschinen in der Phasenlage kann auch selbsttätig
durchgeführt werden, indem man entweder die Verdrehung des Ständers oder die Regelung
der beiden aufeinander senkrecht stehenden Erregerkomponenten am Läufer in Abhängigkeit
von der Größe der Netzspannung und durch einen Drehfeldscheider zwischen der Maschine
I und II steuert. Der richtige Winkel ist dann erreicht, wenn
ist und der Drehfeldscheider für das gegenläufige Stromsystem auf Null zeigt, d.
h. die Ströme in den drei Phasen gleich groß sind.
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Da in der Symmetriermaschine II das Erregerfeld gegenüber dem Ständerbelastungsstrom
gegenläufig umläuft, so kann ein Nutzdrehmoment an der Maschine nicht entstehen.
Diese gibt vielmehr nur Blindleistung ab, die mit der doppelten Frequenz pulsiert,
und ergänzt dadurch die von der Maschine I abgegebene dreiphasige konstante Leistung
zu der an das Einphasennetz abgegebenen pulsierenden Einphasenleistung. Diese Tatsache,
daß die zweite Drehstrommaschine nur als Blindleistungsmaschine arbeitet, gibt die
Möglichkeit, sie getrennt aufzustellen und durch einen Synchronmotor anzutreiben,
der nur die Inversverluste im Dämpferkäfig der Maschine II und deren Eigenverluste
zu decken hat. Fig. 5 der Zeichnung veranschaulicht diese Anordnung mit der gemäß
Fig. 2 geschalteten, auf das Einphasennetz I arbeitenden Drehstrommaschine I und
der als Symmetriermaschine dienenden Drehstrommaschine II. Während die Maschine
I als Generator von einer Turbine T angetrieben wird, ist die Maschine II mit einem
Synchronmotor M gekuppelt, der vom Einphasennetz gespeist wird und der eine über
einen Kondensator C einschaltbare Anlaßphase besitzt. Der Motor M besitzt dazu im
Ständer ebenfalls drei Phasen, von denen aber nur zwei während des Betriebes eingeschaltet
sind, während die Anlaßphase ausgeschaltet ist.
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Wählt man den Antriebsmotor M der Fig. 5 größer, wobei er z. B. gleichzeitig
als Blindleistungsmaschine arbeitet, dann ist der eigene Lastwinkel gM zwischen
seinem Polradvektor und dem Netzspannungsvektor Uun sehr klein. Dies bedeutet aber,
daß der Polradvektor der Symmetriermaschine II die durch die Ankerrückwirkung an
der Maschine I hervorgerufene Verdrehung des Polradvektors der Maschine I gegenüber
dem Netzspannungsvektor nicht mitmacht, daß also die Spannung E2 der Fig. 4 bei
Belastung nicht nachgedreht werden muß, da sie ja mit der Spannung Uuv in Phase
bleibt. Man kann also bei dieser Anordnung auf eine Ständerverdrehung oder auf eine
Verdrehung des Erregerfeldes relativ zum Läufer verzichten, bzw. diese Einrichtungen
brauchen nur für eine geringe Verdrehung ausgebildet zu sein. Die Anordnung der
Fig. 5 setzt das Vorhandensein eines takthaltenden Einphasennetzes voraus, auf das
die Maschine I arbeitet.
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Die neue Schaltung ist auch wichtig für Grenzleistungsausführungen.
Bei I62/3 Hz liegt die Grenzleistung für Einphasengeneratoren bei zweipoliger Turboausführung
und auch bei den vierpoligen Schenkelpolgeneratoren bei etwa 3o MVA. Die.Grenzleistung
kann nunmehr ohne Schwierigkeiten mehr als verdoppelt werden. Bei 5o-Hz-Anlagen,
die eventuell für Bahnspeisung verwendet werden sollen, könnten die vorhandenen
Drehstromgeneratoren weiter verwendet werden, wenn ein zusätzliches Symmetrierungsaggregat
aufgestellt wird. Durch die Symmetrierungsmaschine erhöht sich gleichzeitig die
Einphasenleistung um das v3-fache, so daß die vorhandene Antriebsleistung des früheren
Drehstrombetriebes auch im Einphasenbetrieb voll ausgenutzt werden kann.
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Auch für den Einphasensynchron-Motorbetrieb ist die Schaltung brauchbar,
indem man mit einem normalen Drehstromsynchronmotor eine Symmetrierungsmaschine
verbindet. Die Symmetrierungsmaschine wird man dann mit Vorteil gleich als Anwurfsmotor
verwenden, indem man in eine der drei Phasen, etwa gemäß Fig. 5, beim Anlauf einen
Kondensator, Widerstände oder Drosselspulen einfügt.
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Gegenüber der zum Vergleich herangezogenen Anordnung von zwei parallel
arbeitenden Einphasenmaschinen hat die neue Anordnung noch den Vorteil, daß ohne
zusätzliche Hilfsmaßnahmen auch eine normale Dreiphasenspannung, beispielsweise
für die Speisung von Hilfsantrieben (z. B. bei Umformerlokomotiven), geliefert wird.
Man braucht dazu bei der Schaltung der Fig. 2 nur die drei Verbindungsleitungen
an den Reihenschaltungen der einzelnen Phasenwicklungen (also die Verbindungen zwischen
UI, UII bzw. VII, WI bzw. WII, VI) für die Abnahme einer Dreiphasenspannung heranzuziehen.