Kaskadenschaltung von Hauptasynchronmaschine mit Kommutatorhintermaschine. Es ist eine Kommutatorkaskade bekannt mit belastungsabhängiger Drehzahlcharak teristik, bei welcher die Kommutatorhinter maschine in Nebenschluss von den Schleifrin gen der Vordermaschine über ohmsche und induktive Widerstände erregt wird.
Abb. 1 zeigt die Schaltung dieser bekann ten Kommutatorkaskade. A ist die asynchrone Vordermaschine, K ist die Kommutatorhinter maschine und R die asynchrone oder syn chrone Rekuperationsmaschine. zu ist der Wi derstandserregerkreis, d der Drosselerreger kreis der Kommutatorhintermaschine und k die Kompounderregerwicklung. Die Kompen sationswicklung der Kommutatorhinterma schine ist zwar nicht eingezeichnet, muss aber als vorhanden gedacht werden. Die Maschine K kann selbstverständlich auch mit A direkt oder über Zahnräder gekuppelt sein, in wel chem Falle R wegfällt.
Die Schaltung nach Abb. 1 zeigt eine ver hältnismässig einfache Anordnung, um eine mit zunehmender Belastung abnehmende Drehzahl zu erhalten. Die Anordnung hat jedoch den Nachteil, dass der ganze Drehzahl bereich untersychron liegt und demnach die Kommutatorhintermaschine und die zugehöri gen Erregeranordnungen viel grösser dimen sioniert sein müssen, als wenn der Drehzahl bereich zum Teil übersynchron, zum Teil untersynchron liegt.
Es sind zwar auch schon derartige Schal tungen bekannt, bei welchen die Leerlauf drehzahl übersynchron liegt, jedoch sind diese Schaltungen entweder sehr kompliziert, oder es sind für die Erregung der Kommutator hintermaschine Frequenzumformer für recht grosse Leistung erforderlich, wenigstens wenn nicht für die Erregung besondere Erreger maschinen vorgesehen werden.
Vorliegende Erfindung bezweckt nun eine Kommutatorkaskade für eine belastungsab hängige Drehzahlcharakteristik, deren Dreh zahlbereich teilweise übersynchron und teil weise untersynchron liegt und die für die Er regung der Kommutatorhintermaschine ausser allen oder einzelnen der in Abb. 1 gezeich neten Apparate nur einen Frequenzumformer für sehr geringe Leistung braucht. Durch die Hinzunahme dieses kleinen Frequenzumfor mers wird aber die Leistung der Kommutator hintermaschine fast auf die Hälfte reduziert und weil ausserdem die maximale Schlupf frequenz viel geringer ist als bei nur unter synchronem Drehzahlbereich, so werden die erforderliche Erregerleistung und besonders die Verluste im Widerstandserregerkreis sehr wesentlich reduziert.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine Kaskadenschaltung von Hauptasynchronma schine mit Kommutatorhintermaschine, die entweder eine vom Belastungsstrom durch flossene Kompoundwicklung oder eine von einer im wesentlichen dem Schlupf propor tionalen Spannung über ohmsche Widerstände gespeiste Widerstandserregerwicklung oder beide besitzt, bei welcher weiter eine Drossel erregerwicklung vorhanden ist, die einerseits über induktive Widerstände von einer im wesentlichen dem Schlupf proportionalen Spannung, anderseits über einen Frequenz umformer von einer der Netzspannung pro portionalen Spannung gespeist wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Anordnung nach der Erfindung zeigt Abb. 2. Die Be zeichnungen sind wieder die gleichen wie in Abb. 1, neu sind der kleine Frequenzumfor mer F, der über dem Transformator T vom Netz gespeist wird. Der Frequenzumformer kann mit oder ohne Kompensationswicklung ausgeführt werden.
Die Kommutatorhintermaschine besitzt in diesem Falle wieder drei Erregerwicklungen, und zwar die Kompounderregerwicklung k, die vom Hauptstrom der Kommutatorhinter maschine durchflossen ist, die Widerstands erregerwicklung w, die über einstellbare ohm sche Widerstände h von den Schleifringen der Vordermaschine gespeist wird, und schliess lich die Drosselerregerwicklung d, die einer seits über einstellbare induktive Widerstände von den Schleifringen der Vordermaschine, anderseits von der Kommutatorspannung des Frequenzumformers F gespeist wird. Die vor- geschalteten ohmschen bezw. induktiven Wi derstände im Widerstands- bezw. Drossel erregerkreis sind gross gegenüber dem Schein widerstand dieser Erregerwicklungen selber.
Der Erregerstrom im Widerstandserregerkreis ist im wesentlichen der Schleifringspannung des Vordermotors, d. h. dem Schlupf propor tional. Der Erregerstrom im Drosselerreger kreis bleibt im wesentlichen konstant, unab hängig von der Schlupffrequenz, nur bei Schlupf Null würde auch dieser Strom wenig stens bei der Anordnung nach Abb. 1 auf Null zurückgehen. Der Zweck des Frequenz umformers in Abb. 2 ist nun, dafür zu sorgen, dass auch beim Durchgang durch den Syn chronismus der Strom im Drosselerregerkreis im wesentlichen konstant bleibt, indem dieser Frequenzumformer den ohmschen Abfall dieses Kreises deckt. In diesem Falle kann man sogar, um möglichst stabile Verhältnisse zu bekommen, den ohmschen Abfall des Drossel kreises künstlich durch einen vorgeschalteten, einstellbaren Widerstand etwas erhöhen.
In Abb. 3 ist in der horizontalen Achse durch 0 der Schlupf s aufgetragen, und zwar von 0 nach rechts der positive Schlupf (un tersynchron). Die Ordinaten der verschiedenen Geraden dieser Abbildung stellen die ver schiedenen Spannungen im Sekundärkreis der Kommutatorkaskade, oder in einem andern Massstab die entsprechenden Erregerdurchflu- tungen der Kommutatorhintermaschine dar. Die Ordinaten der- Geraden<I>CD</I> zeigen die im Läufer der Vordermaschine induzierte Schlupfspannung E2 in Funktion des Schlup- fes. In gleicher Weise stellt die Gerade CE die Schleifringspannung Es der Vordermaschine dar.
Die Differenz der Ordinaten der Geraden CD und CE stellt den Spannungsabfall in der Sekundärwicklung der Hauptasynchron maschine dar und ist ein Mass für das Dreh moment dieser Maschine. Die Ordinaten der Geraden FG stellen die konstante Spannung Ed dar, die durch den Drosselerregerkreis in der Kommutatorhintermaschine induziert wird. .Die Differenz der Ordinaten der Geraden CIS und FG stellt die vom Widerstandserreger kreis in der Kommutatorhintermaschine indu- zierte Spannung Ew dar; demnach gibt Ge rade CK die Summe der Spannungen Ed und Fes, an.
Die Differenz der Geraden CE und CK stellt die von der Kompounderregerwicklung k induzierte Spannung<B>EI,</B> dar. Demnach stellt CE die resultierende induzierte Spannung Ed + Ew + Ek der Kommutatorhintermaschine dar. OA stellt den Leerlaufschlupf dar, der negativ ist, d. h. die Leerlaufdrehzahl der Kaskade liegt übersynchron.<I>OB</I> soll etwa der grösste positive Schlupf, der bei der be triebsmässig maximalen Belastung auftritt, darstellen. Bei Drehzahlen, die über der Leer laufdrehzahl liegen, arbeitet die Kaskade generatorisch.
Es ist nicht unbedingt erforderlich, dass alle drei in Abb. 2 gezeichneten Erregerwick lungen der Kommutatorhintermaschine vor handen sind. Es kann beispielsweise der Widerstandserregerkreis weggelassen werden. In diesem Falle fällt in Abb. 3 die Gerade CK mit der Geraden FG zusammen. Die da durch entstehenden Änderungen ergeben sich von selbst. Es kann auch die Kompound- erregerwicklung k weggelassen werden, in welchem Falle die Geraden OK und CE zu sammenfallen. In beiden Fällen bleibt die Verbundcharakteristik der Kaskade bestehen. Dass die Kommutatormaschine normalerweise eine nicht gezeichnete Kompensationswick lung besitzt, ist bereits erwähnt.
Bis jetzt sind nur die Spannungskompo nenten, welche die Drehzahl beeinflussen, be trachtet worden. Es ist aber klar, dass man die Kommutatorhintermaschine auch gleich zeitig zur Phasenkompensation heranziehen kann. Man kann nämlich leicht der vom Drosselerregerkreis induzierten Spannung eine solche Grösse und Phasenrichtung geben, dass diese nicht nur die Leerlaufdrehzahl bestimmt, sondern gleichzeitig die Phasenkompensation besorgt.
Mit Hilfe der verschiedenen Erregerkreise der Kommutatorhintermaschine hat man es in der Hand, die Drehzahlcharakteristik be liebig einzustellen bezw. zu regeln. Wie aus Abb. 3 ersichtlich ist, lässt sich durch Rege lung im Drosselerregerkreis die Leerlaufdreh zahl beliebig einstellen., ohne dass die Neigung der Drehzahlcharakteristik sich dabei ändert. Durch Umkehrung der Drosselerregung lässt sich die Leerlaufdrehzahl sowohl untersyn chron; als übersynchron verlegen. Durch Re gelung im Widerstandserregerkreis ändert man zugleich die Leerlaufdrehzahl und die Neigung der Drehzahlcharakteristik.
Durch Änderung der Windungszahl der Kompounderregerwicklung lässt sich die Nei gung der Drehzahlcharakteristik ändern, ohne dass die Leerlaufdrehzahl geändert wird. Bei einer bestimmten Einstellung des Wider standserregerkreises lässt sich eine Konstant- leistungscharakteristik erzielen. Da sich mit der Anordnung nach dieser Erfindung prak tisch jede Art von Drehzahlcharakteristik er reichen lässt, und da man ausserdem diese Charakteristik in jeder Weise beeinflussen kann, und zwar entweder von Hand oder automatisch in Abhängigkeit von irgend einer Grösse, wie Leistung; Frequenz oder derglei chen, so lässt sich diese Kommutatorkaskade in praktisch allen Fällen verwenden, in wel chen überhaupt Kommutatorkaskaden in Frage kommen.
Selbstverständlich kommt die Kas kade gleichzeitig für die Regelung der Blind leistung in Betracht.
Beispielsweise lässt sich die Kaskade als sogenannter Zusatzschlupfkompensator ver wenden, wobei die Leerlaufdrehzahl vorteil- hafterweise übersynchron verlegt wird, weil dabei die Hilfsmaschinen möglichst kleine Abmessungen bekommen. Man kann die Dreh zahlcharakteristik entweder parallel zu sich selbst verschieben, oder auch deren Neigung beeinflussen, und zwar automatisch in Ab hängigkeit von der Leistung, oder bei Netz kupplungsumforinern in Abhängigkeit von der Netzfrequenz.
Wenn die Neigung der Drehzahlcharakteristik in Abhängigkeit von der Belastung oder von der Drehzahl auto matisch geregelt wird, lässt sich erreichen, dass beispielsweise von einer bestimmten Be lastung an der Drehzahlabfall immer schneller zunimmt, so dass dadurch die Schwungmassen immer mehr zur Arbeitsleistung herangezogen werden.
Bei Verwendung der Kaskade für Netz kupplungsumformer kann entweder automa tisch auf konstante Leistung oder auf kon stante Netzfrequenz geregelt werden, oder es kann schliesslich auf eine bestimmte Abhän gigkeit zwischen Leistung und Netzfrequenz geregelt werden. Bei Regelung auf konstante oder nahezu konstante Netzfrequenz ist Lei stungsbegrenzung, bei Regelung auf konstante Leistung Begrenzung der Netzfrequenz zu empfehlen. Die Regelung auf konstante Lei stung kann entweder automatisch durch Regelapparate oder bei bestimmter Einstel lung des Widerstandserregerkreises durch die Eigencharakteristik der Kaskade erfolgen.
In der Abb. 2 ist die Regelung in den verschie denen Erregerkreisen durch Anzapfungen an den ohmschen und induktiven Widerstand, sowie am Transformator T und an der Kom- poundwicklung k dargestellt. Die Regelung dieser verschiedenen Erregerkreise kann je doch auch in anderer Weise geschehen. Er stens besteht die Möglichkeit, eine oder meh rere der Erregerwicklungen nicht auf der Kommutatorhintermaschine selber, sondern auf einer besonderen Erregermaschine mit grosser Ankerrückwirkung unterzubringen. Weiter kann man auch den ohmschen Wider stand durch eine Reihenschlusskommutator maschine mit angenähert konstanter (aber doch regelbarer) Drehzahl, den induktiven Widerstand durch eine Reihenschlusskommu tatormaschine mit einer dem Schlupf propor tionalen Drehzahl ersetzen.
Weiter kann man die ohmschen und in duktiven Widerstände, statt sie direkt von den Schleifringen des Vordermotors zu speisen, über regelbare Transformatoren von diesen Schleifringen speisen; auch können sie von den Schleifringen einer asynchronen Hilfs maschine, statt von den Schleifringen der Vordermaschine, gespeist werden.
Im Drosselerregerkreis müssen ohmsche und induktive Spannungskomponenten gleich zeitig geregelt werden. Sind jedoch in den Anzapfungen der Drosselspule ohmsche Wi- derstände r (siehe Abb. 2) von solcher Grösse vorgeschaltet, dass die ohmsche Spannungs komponente konstant bleibt, dann braucht der Transformator T nicht geregelt zu werden.
Abb. g zeigt ein weiteres Ausführungsbei spiel der Erfindung, die für eine Kommutator kaskade für einen Netzkupplungsumformer mit automatischer Regelung der Wirk- und Blindleistung in Frage kommt. Die Bezeich nungen sind wieder dieselben wie in Abb. 2, nur liegt die Drosselerregerwicklung d jetzt auf einer besonderen Erregermaschine E, de ren Antriebsmaschine in Abb. 4 nicht gezeigt wird. Der Widerstandserregerkreis ist in die sem Beispiel nicht vorhanden. Die Erreger wicklung der Kommutatorhintermaschine wird von der Erregermaschine E mit ihrer Kom- poundwicklung k' und normalerweise mit einer nicht gezeichneten Kompensationswicklung gespeist.
Die Erregermaschine ist mit grosser Ankerrückwirkung ausgeführt, so dass ihr ab gegebener Strom praktisch der Erregerdurch flutung der Wicklung d proportional ist. Die Erregerwicklung d wird einerseits über die Drosselspule S von den Schleifringen der Vordermaschine gespeist. Zwecks der Rege lung sind dabei zwischen Erregerwicklung d und der Drosselspule die Doppelinduktions regler D, und Db geschaltet, die als regel bare Stromtransformatoren arbeiten. Von der andern Seite wird die Erregerwicklung d vom Frequenzumformer F gespeist, der über zwei Doppelinduktionsregler d, und db, die primär- seitig parallel und sekundärseitig in Reihe geschaltet sind, gespeist.
Mit Hilfe der bei den Induktionsregler D, und d, wird die Leerlaufdrehzahl der Kaskade bezw. die Wirk leistung, mit Hilfe der beiden Induktionsregler Db und db die Blindleistung geregelt. Dabei brauchen d, und db und der Frequenzumfor- mer F nur für die ohmsche Komponente der Erregung aufzukommen.
Die Regelung der Doppelinduktionsregler kann automatisch in Abhängigkeit von den Netzgrössen geschehen, wobei einerseits D, und d, und anderseits Db und<B>dl,</B> von einem gemeinsamen Organ gesteuert werden können. Bei Kaskaden für kleinere Leistung kann selbstverständlich die Erregermaschine L' wegfallen, indem dann die Wicklung d direkt auf der Kommutatorhinter maschine angebracht wird.
Ein wichtiger Vorteil der hier beschriebe nen Anordnung besteht darin, dass man nicht durch Vorschaltung bedeutender ohmscher Widerstände im Erregerkreis der Erregerma schine bezw. der Kommutatorhintermaschine den Widerstand dieses Erregerkreises von der Schlupffrequenz unabhängig zu machen braucht. Durch den Wegfall dieser ohmschen Widerstände fallen die Hilfsmaschinen und Hilfsapparate wesentlich kleiner aus als wie es sonst der Fall wäre.
Statt in Abb. 4 die Induktionsregler d, und db gegebenenfalls unter Zwischenschal tung eines Spannungstransformators vom Netz zu speisen, könnte man diese Induk tionsregler auch über Drosselspulen vom Netz speisen, so dass auch diese Induktions regler dann als Stromtransformatoren wirken würden. Bei solchen Doppelinduktionsreglern, die als Stromtransformatoren mit regelbarer Übersetzung arbeiten sollen, können die bei den Hälften primärseitig in Reihe, sekundär- seitig parallel geschaltet werden.