DE589782C - Schaltanordnung zur Einfuehrung von Spannungen in Stromkreise mit veraenderlicher Frequenz, die dem Strom und der Frequenz in dem Stromkreise proportional sind - Google Patents

Description

Das Hauptpatent betrifft eine Schaltanordnung zur Einführung von Spannungen in Stromkreise mit veränderlicher Frequenz, die dem Strom und der Frequenz in dem Stromkreise proportional sind. Insbesondere handelt es sich dabei um die Schlupffrequenz führenden Stromkreise an Asynchronmaschinen, in deren Sekundärstromkreis Kommu-■ tatorhintermaschinen eingeschaltet sind. Die Erfindung des Hauptpatents besteht darin, daß in den Stromkreis veränderlicher Frequenz die Ankerwicklung einer mit konstanter oder nicht stark veränderlicher Drehzahl angetriebenen, zweckmäßig mit einer Kompensationswicklung ausgerüsteten Kommutatormaschine und die Primärwicklung eines annähernd rückwirkungslosen Transformators (Stromspannungstransformators, insbesondere Drehtransformators) eingeschaltet sind und die Spannung der Sekundärwicklung des rückwirkungslosen Transformators der Erregerwicklung der Kommutatormaschine unmittelbar oder über Hilfskomtnutatormaschinen zugeführt ist. Die vorliegende Erfindung betrifft eine besonders zweckmäßige Verwendung dieser Anordnung des Hauptpatents.

Erfindungsgemäß ist der in den Stromkreis veränderlicher Frequenz eingeschaltete Stromspannungstransformator mit der Primärwicklung in den Sekundärstromkreis einer Asynchronmaschine mit vom Schlupf unabhängiger Drehfeldleistung eingeschaltet, und seine Sekundäispannung ist der Erregung der Kommutatorhintermaschine dieser Asynchronmaschine zugeführt, zu dem Zweck, den induktiven Spannungsabfall im Sekundärkreis der Asynchronmaschine in seinem Einfluß auf den sekundären Belastungsstrom aufzuheben. Bei einer Asynchronmaschine mit vom Schlupf unabhängiger Drehfeldleistung führt die Kommutatorhintermaschine in den Sekundärkreis der Asynchronmaschine zwei Spannungskomponenten ein, von denen die eine proportional dem Schlupf anwächst und so bemessen ist, daß sie die Sekundärspannung der Asynchronmaschine jeweils gerade aufhebt. Die zweite Spannungskomponente ist vom Schlupf unabhängig, und diese Spannung erzeugt dann im Sekundärkreis einen vom Schlupf unabhängigen Belastungsstrom, wodurch die konstante Drehfeldleistung der Asynchronmaschine zustande

kommt. Diese Grundschaltung wird aber dadurch, störend beeinflußt, daß im Sekundärkreis der Asynchronmaschine noch eine induktive Streuspannung auftritt, die ebenfalls in ihrer Größe vom Schlupf abhängig ist und die dann den konstant sein sollenden Belastungsstrom doch wieder vom Schlupf abhängig macht. Diese störende Streuspannung wird nun mittels der Anordnung nach der Erfindung in besonders einfacher und wirksamer Weise aufgehoben, wobei die verwendete Kommutatormaschine auch noch für andere Zwecke benutzt werden kann.

In folgendem ist die Erfindung an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert, r ist in Abb. 1 eine Asynchronmaschine, die eine vom Schlupf unabhängige konstante Drehfeldleistung aufweisen soll. In ihren Sekundärstromkreis ist eine Kommutatorhintermaschine 2, im folgenden Schlupfleistungsmaschine genannt, eingeschaltet. Die Schlupf leistungsmaschine 2 sowie die Erregermaschine 3 der Schlupflei stungsmaschine werden von einem Motor 4 mit konstanter oder annähernd konstanter Drehzahl angetrieben. Im .Stromkreis II ist die Primärwicklung des Transformators 5, im Stromkreis III die Primärwicklung des Transformators 6 eingeschaltet. Die Sekundärwicklungen der Transformatoren 5 und 6 sind in den noch vom Periodenumformer 7 gespeisten Schlupffrequenz führenden Erregerstromkreis IV der Kommutatormaschine 3 eingeschaltet. Dieser Stromkreis IV muß dabei in irgendeiner Weise induktionslos gemacht werden, damit Proportionalität zwischen den eingeführten Spannungen und dem Strome in IV besteht. Dies kann durch Einschaltung eines induktionslosen Widerstandes 8 passender Größe geschehen. An Stelle der Vergrößerung des Ohmschen Widerstandes kann man vorteilhafter die Induktionsspannung des Stromkreises IV aufheben. Dies kann durch die Anordnung einer kompensierten Maschine 9, eines Transformators 10 und eines induktionslosen Widerstandes 11, also nach dem Verfahren der Erfindung des Hauptpatents geschehen.

Die von dem Transformator 6 in den Stromkreis IV eingeführte Spannung ist in der Größe derart bemessen und in der Phase derart eingestellt, daß sie über die Kommutatormaschine 3 in den Erregerstromkreis III eine Spannung einführt, die die Selbstinduktionsspannung dieses Erregerstromkreises III aufhebt. Ebenso ist gemäß der vorliegenden Erfindung die Sekundärspannung des vom Sekundärstrom der Asynchronmaschine 1 primär gespeisten Transformators 5 in der Größe und Phase derart bemessen und eingestellt, daß sie über die Kommutatormaschinen 3 und 2 in den Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine eine Spannung einführt, die die sekundären und primären Streuspannungen und Ohmschen Spannungsabfälle an der Asynchronmaschine 1 in ihrem Einfluß auf den Sekundärstrom der Asynchronmaschine ausgleicht. Es läßt sich zeigen, daß bei passender Bemessung und Einstellung der Transformatoren 5 und 6 die Gleichung gilt

s.E,_Q-^C-f^U₀=:r.,J.₂. (χ)

ft) * Al

³⁴

Hierin bedeuten s den Schlupf der Asynchronmaschine, E₂₀ die Sekundärspannung der Asynchronmaschine bei Stillstand und offener Läuferwicklung, U₀ die Spannung des Periodenumformers 7, J₂ den Sekundärstrom der Asynchronmaschine, r₂, r_s, T₁ die Ohmschen Widerstände der Sekundärstromkreise II, III und IV der Asynchronmaschine und C₃₂ und C₄₃ Konstanten an den Transformatoren 5 und 6.

Es ist also durch die Anordnung zweier annähernd rückwirkungsloser Transformatoren, deren Primärwicklungen in den Stromkreisen II und III der Abb. 1 liegen und deren Sekundärwicklungen auf den Strom- go kreis IV arbeiten, beispielsweise möglich, für den Sekundärstrom /₂ die obige einfache Beziehung zu gewinnen.

Ändert sich nun J₂ in Abhängigkeit von der Schlüpfung und in Abhängigkeit von U₀ nach Gleichung (1), so ändert sich die Wirkleistung der asynchronen Maschine mit der Schlüpfung proportional, während die Blindleistung von der Schlüpfung praktisch unabhängig ist. Da aber gefordert ist, daß sich die Wirkleistung mit der Schlüpfung überhaupt nicht ändert, so ist im folgenden an weiteren Beispielen gezeigt, wie dies erreicht werden kann.

Um die Abhängigkeit der Wirkleistung von der Schlüpfung ganz zu beseitigen, ist man genötigt, im Stromkreise II mittelbar oder unmittelbar außer der Spannung s · E₂₀

C · C

{/„ eine dritte Spannung ein-

zuführen, die proportional s · E₂₀ ist.

Eine solche Spannung läßt sich durch Anordnung einer asynchronen Maschine gewinnen, die von der Hauptmaschine entweder unmittelbar oder über ein Zahnradgetriebe angetrieben wird und deren Primärwicklung an die Netzspannung gelegt ist. Von der Sekundärwicklung dieser Maschine könnte man dann eine der Schlüpfung proportionale Spannung abnehmen. Diese Anordnung hat den Nachteil, eine verhältnismäßig große Hilfsmaschine zu bedingen. Besser ist die

Anordnung eitler zweiten Wicklung im Läufer der Hauptmaschine, von welcher dann eine Hilfsspannung U₁₁ abgenommen werden kann.

In Abb. 2 ist nun ein erster Weg gezeigt, wie die Hilfsspannung U₁₁ in den Stromkreis eingeführt werden kann. U₁₁ wird zunächst über einen Periodenumformer 9 auf die Netzperiodenzahl gebracht, um dann durch einen Transformator 10 in den Stromkreis des Frequerizumformers 7 eingeführt zu werden. Da im übrigen die Schaltung der Abb. 2 der Schaltung der Abb. 1 entspricht, wenn man davon absieht, daß die Schlupfleistungsmaschine 2 nun direkt gekuppelt mit der Hauptmaschine r ist, so ist es klar, daß die bisherigen Ergebnisse auch auf die Schaltung der Abb. 2 übertragen werden können, wenn man in Gleichung (1) an Stelle von U₀ die neue Spannung

TT -L. .. . TJ, to\

einführt. In dieser berücksichtigt μ das Übersetzungsverhältnis des Transformators IQ. An Stelle der Gleichung (1) bekommt man also die Gleichung

(3)

wobei der Umstand, daß nun die Schlupfleistungsmaschine 2 keine konstante Drehzahl mehr besitzt, vernachlässigt wird. Bei der. Anordnung der Abb. 2 ist jedoch noch der Umstand vernachlässigt, daß die in der Hilfswicklung der Asynchronmaschine 1 erzeugte Hilfsspannung U/, von der sekundären und primären Streuspannung der Asynchronmaschine und von deren primären Ohmschen Spanjiungsabfällen ebenfalls mit beeinflußt wird, und daß diese Beeinflussung durch Gegenspannungen wieder ausgeglichen werden muß, wenn die gewünschte Proportionalität zwischen J₂ und der resultierenden Spannung im Stromkreise II erhalten bleiben soll.

Indessen ist es möglich, durch Einführung einer weiteren Spannung in den Stromkreis V der Abb. 2 die Spannung, mit welcher der Frequenzumformer 9 gespeist wird, von J₂ unabhängig zu gestalten. Man braucht bloß einen weiteren Transformator 11, dessen Primärwicklung vom Strome J₂ durchflossen und dessen Sekundärwicklung im Stromkreise V eingeschaltet ist, anzuordnen!, um das gewünschte Ziel zu erreichen. Dies ist in Abb. 3 geschehen. Abb. 3 stellt sonst genau dieselbe Schaltung wie Abb. 2 dar. Die Sekundärspannung dieses Transformators 11 ist in der Größe und Phase derart bemessen und eingestellt, daß sie die geschilderten Ab-

ßo weichungen der Hilfsspannung U_h vom Sollwert wieder ausgleicht, indem sie entspre chende Gegenspannungen in den StromkreisV einführt. Es läßt sich dann die Beziehung aufstellen

S-E₂₀[I-μ,)-^ μ₂-U₀-r_z J₂. (4) ^6s

Darin bedeutet μ₂ eine Konstante, die mit dem Produkt der Konstanten vor dem Ausdruck U₀ in der Gleichung (1) übereinstimmt, während μ_χ eine Konstante darstellt, die auch die Konstante μ der Gleichung (2) enthält. Durch Wahl von μ_±, also des Übersetzungsverhältnisses des Transformators 10, ist es möglich, den Einfluß von ί · E₂₀ und J₂ beliebig groß bzw. beliebig klein zu machen. Bei μ₁ = ι verschwindet das Glied mit s · E₂₀ als Faktor, so daß T₂ von der Schlüpfung vollständig unabhängig ist.

An dieser Stelle ist hervorzuheben, daß die Anordnung des Transformators 11 im Schaltbild der Abb. 3 an sich nicht notwendig ist, um das gewünschte Ziel zu erreichen. Man kann auch mit der Schaltung der Abb. 2 auskommen, wenn man nämlich den Transformator 5 derart bemißt und in der Phase einstellt, daß er auch noch die Aufgabe des Transformators 11 der Abb. 3 mit übernimmt. Dies ist ohne weiteres möglich, da die Sekundärspannungen der Transformatoren 5 und 11 sich nach den gleichen Gesetzen ändern.

Es kann noch nachgewiesen werden·, daß es durch die getroffenen Maßnahmen möglich ist, den Wirk- und den Blindleistungsaustausch der asynchronen Maschinen mit dem Netz beliebig zu regeln. Diese Regelung kann sich dabei nach den Diagrammen der Abb. 4 und 5 vollziehen. Der Primärstrom J₁ der Asynchronmaschine setzt sich in diesen Diagrammen aus drei Komponenten zusammen, die erste Komponente OA eilt der primären Klemmenspannung U₁ um 90⁰ voraus. Sie stellt den Magnetisierungsstrom der- asynchronen Maschine dar. Die zweite Komponente ist AP₀. Sie ist der Spannung U₀ des Frequenzwandlers 7 proportional und mit U₀ phasengleich, von der Schlüpf ung jedoch unabhängig. Die dritte Komponente ist durch die Strecke P₀P gegeben. Im Untersynchronismus ist sie der primären Klemmenspannung entgegengesetzt, im Übersynchronismus gleichgerichtet. Der Endpunkt des Primärstromes liegt also auf einer durch P₀ gelegten Parallele zur [/^Richtung. Der Proportionalitätfaktor zwischen der Schlüpf ung und der Komponente P₀P kann durch Wahl von ,M₁ beliebig geändert werden. Bei μ_χ = ο ist die Änderung von F₀P mit der Schlüpf ung sehr, groß; bei μ_χ = ι dagegen ist P₀P gleich Null, so daß die Wirkkomponente von J₁ von der Schlüpfung vollkommen unabhängig ist. Die Blindkomponente von J₁ ist von der

Schlüpfung völlig unabhängig. Im Synchronismus (Punkt P₀) bekommt man je nach der

β Phase von U₀ entweder Motorwirkung (Abb. 4) oder Generatorwirkung (Abb. 5) 5 oder auch einen reinen Blindstrom. Der Blindstrom kann durch U₀ beliebig geregelt "werden. Im Unter synchronismus wird im Falle der Abb. 4 der negative Wirkstrom absolut genommen größer, d. h. die Leistung der als Motor laufenden Maschine wächst. Im Übersynchronismus geht zunächst der negative Wirkstrom auf Null zurück, um dann positiv zu werden (Generatorwirkung). Ähnliches gilt auch für den Fall der Abb. 5.

In ähnlicher Weise könnte man auch erreichen, daß die Blindleistung sich mit der Schlüpfung proportional ändert. Es ist dazu bloß erforderlich, daß man der Spannung U_h der Hilfswicklung eine andere Phasenlage gegenüber der Spannung in der sekundären Hauptwicklung der Asynchronmaschine gibt, was durch Vertauschung der Schleifringanschlüsse oder Änderung der Anschlußpunkte der Schleifringe an der Hilfswicklung ohne weiteres erreicht werden kann. Man ist also, um es kurz zu sagen, mit Hilfe der Erfindung in der Lage, der asynchronen Maschine sowohl hinsichtlich der Wirk- als auch der Blindleistung jede gewünschte Charakteristik zu erteilen.

Der Vollständigkeit halber soll endlich die Anwendung der Erfindung auch an Fällen gezeigt werden, bei welchen ' die Hilfsspannung Uj₁ in anderer Weise in die Stromkreise eingeführt wird. In den Abb. 6 und 7 wird die Hilfsspannung zur Erregung der kompensierten Maschine 3 verwendet. Der von der Hilfsspannung U_h herrührende Erregerstrom J₅ wird durch einen Widerstand 9 geregelt. In beiden Fällen arbeiten die Transformatoren 5 und 6 auf den Stromkreis IV. Dagegen ist der Frequenzwandler 7, der kompensiert oder unkondensiert sein kann, in Abb. 6 in den Stromkreis III, in Abb. 7 in den Stromkreis IV eingeschaltet.

Bei den Schaltungen der Abb. 8, 9 und 10 wird die Hilfsspannung durch einen Transformator 9', dessen Übersetzungsverhältnis geändert werden kann, transformiert und dann entweder in den Stromkreis III wie bei Abb. 8 oder in den Stromkreis IV wie in Abb. 9 und 10 eingeschaltet. In Abb. 9 ist der Stromkreis IV durch einen Widerstand 8 induktionslos gemacht,' während in Abb. 10 die Induktionsfreihert 'des Stromkreises IV in derselben Weise wie bei der Anordnung nach Abb. 1 erreicht ist. Die Schaltung der Abb. 8 hat den Nachteil, daß im Synchronismus der Transformator 9 auf der sekundären Seite von Gleichstrom durchflossen wird. Dies ist bei den Schaltungen der Abb. 9 und vermieden.

Schließlich ist zu erwähnen, daß der praktisch rückwirkungslose Transformator auch in den primären Stromkreis an Stelle des sekundären Stromkreises der asynchronen Maschinen eingeschaltet werden könnte. Er müßte dann auf eine asynchrone Maschine mit der gleichen Schlupfperiodenzahl wie die Hauptmaschine arbeiten und die Spannung dieser asynchronen Maschine in irgendeinen Erregerstromkreis eingeführt werden.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schaltanordnung zur Einführung von Spannungen in Stromkreise mit veränderlicher Frequenz, die dem Strom und der Frequenz in dem Stromkreise proportional sind, nach Patent 512 047 und zur Erzielung einer vom Schlupf unabhängigen Drehfeldleistung an Asynchronmaschinen mit Kommutatorhintermaschine und zum Zweck, den induktiven Streuspannungsabfall auch im Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine aufzuheben, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Stromkreis veränderlicher Frequenz eingeschaltete Stromspannungstransformator mit seiner Primärwicklung in den Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine eingeschaltet und seine Sekundärspannung der Erregung der Kommutatorhintermaschine zugeführt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Spannung einer Hilfswicklung im Sekundärteil der Asynchronmaschine dazu dient, durch Erregung der Kommutatorhintermaschine die in der sekundären Hauptwicklung der Asynchronmaschine induzierte Spannung in ihrem Einfluß auf den Belastungsstrom aufzuheben, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Haupt- und die sekundäre Hilfswicklung noch über die Primär- und Sekundärwicklung eines zweiten Stromspannungstransfor-

: mators miteinander gekuppelt sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen