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Verfahren zur Speisung von Wechsetstromnetzen durch Asyuchrongeneratoren.
Wie bekannt, geben Asynchronmotoren, wenn sie übersynchron angetrieben werden, elektrische Energie an das Netz ab, können in dieser Weise auch als Generator verwendet werden, um an der Speisung des Netzes teilzunehmen. Ein derartiger Asynchrongenerator kann nicht dazugebracht werden, elektrische Energie an das Netz zu liefern, wenn er allein arbeitet, d. h., wenn die takthaltenden Synchronmaschinen abgeschaltet werden. In diesem Falle bricht die Spannung des Netzes zusammen, da keine elektrische Energiequelle zur Verfügung steht, um die Magnetisierung der Asynchronmaschinen hervorzurufen.
Man hat, um diesem Übelstand abzuhelfen, nun vorgeschlagen, die Asynchronmaschinen mit besonderen Drehstromerregermasehinen zu erregen, wobei die Frequenz der Asynchronmaschinen praktisch konstantgehalten wird. Bei solchen Ausführungen ist es nicht unmöglich, mit einem Asynchrongenerator allein auf Spannung zu kommen, aber die Stabilität der Spannung und der Periodenzahl ist nicht gesichert. Die Ursache nämlich, die bisher die ausschliessliche Speisung eines Netzes durch Asynchrongeneratoren verhinderte, lag darin, dass der Wechselstrom, der erzeugt wurde, selbst dazu dienen musste, die ihn erzeugende Maschine zu erregen. Mit der Belastung der Maschinen traten dann derartige Schwankungen der Spannung und der Periodenzahl ein, dass ein praktischer Betrieb unmöglich war.
Gemäss der Erfindung werden (liese Schwierigkeiten überwunden, u. zw. dadurch, dass der speisende Asynchrongenerator von einer Wechselstromquelle erregt wird, deren Spannung und Periodenzahl von dem zu speisenden Netz unabhängig ist. Hiedurch ergibt sich eine Energieversorgung des Netzes, die der bekannten Energieerzeugung durch Synchrongeneratoren wesentlich überlegen ist, denn gemäss der Erfindung lässt sich die Energieerzeugung so ausbilden, dass auch bei schwankender Antriebsdrehzahl die Spannung und die Periodenzahl des erzeugten Wechselstromes hinreichend konstant ist.
Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 dargestellt. Die Asynchronmaschine 1 soll das Netz 5 selbsttätig speisen und wird hiezu von einer Kraftmaschine. 3 angetrieben. Die Läuferwicklung des Generators 1 ist mit den Bürsten einer Kommutatorhintermaschine 3 verbunden, die mit dem Generator mechanisch gekuppelt ist. Diese Kommutatorhintermaschine hat die Aufgabe der Frequenzumformung und liegt ausserdem mit ihren Schleifringen an einer Wechselstromquelle 4 selbständiger Art.
Ein solcher Maschinensatz hat die Eigentümlichkeit, dass die Frequenz an den Netzklemmen der Asynchronmaschine 1 unabhängig von der Drehzahl und der Belastung stets ebenso gross ist, wie die Frequenz an den Schleifringen der Kommutatormaschine 3. Daraus folgt, dass die vom Generator erzeugte Frequenz nur von der Erregerfrequenz abhängig ist und dass Drehzahlschwankungen des Generators auf die Netzperiodenzahl keinen Einfluss haben. Es liegt hier der einfachste und betriebsmässig wertvolle Fall vor, dass die Erregerperiodenzahl gleich der
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maschine Verwendung finden. Dann muss die Erregung dieser Maschine mit veränderlicher Frequenz erfolgen, damit bei der jeweils auftretenden Generatordrehzahl die Netzfrequenz konstant bleiben soll. Diese veränderliche Frequenz kann in ihrem jeweils notwendigen Augenblickswert z.
B. mit Hilfe einer Antriebsmaschine konstanter Drehzahl gewonnen werden, die auf an sich bekannte Vorrichtungen zur Umformung der Frequenz, z. B. auf Frequenzwandler, Differentialgetriebe oder deren elektrische oder mechanisch-elektrische Äquivalente arbeitet.
Zwei derartige Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen die Fig. 2 und 3. In Fig. 2 bedeutet wieder den Asynchrongenerator, 2 die antreibende Kraftmaschine, 3 die Kommutatormaschine, welche diesmal ständerseitig erregt wird, 4 ein Netz konstanter Periodenzahl die durch eine Kraftmaschine konstanter Drehzahl erzeugt wird, 5 das zu speisende Netz und endlich C einen Frequenzwandler, der mechanisch mit dem Generator gekuppelt ist. Durch den Frequenzwandler 6 wird die der konstanten Drehzahl entsprechende konstante Erregerfrequenz 4 auf die bei der jeweils vorhandenen Generatordrehzahl und gewünschten Netzfrequenz erforderliche Schlupffrequenz umgeformt. Die Kommutatormaschine 3 wird also hier mit veränderlicher Frequenz erregt.
Ähnlich liegt der Fall nach Fig. 3. Auch hier bedeutet 1 wieder den Generator, : 2 die antreibende Kraftmaschine, 3 die ständerseitig erregte Kommutatormaschine, 5 das zu speisende Netz, 8 ein sogenanntes elektrisches Differentialgetriebe, welches sländerseitig mit dem Maschinensatz gekuppelt, läuferseitig dagegen von einer besonderen Kraftmaschine 7 angetrieben wird. Die Maschine 8 ist wie ein gewöhnlicher Synchrongenerator gebaut, so dass : z. B. dem Ständer Dreiphasenstrom entnommen werden kann, wenn dem Läufer aus einem Gleichstromnetz 9 Gleichstromerregung zugeführt wird.
Auch hier erhält die Kommutatormaschine 3 ihre Erregung mit veränderlicher Frequenz, welche trotz konstanter Antriebsdrehzahl der Maschine 7 durch die Eigenart des Differentialgetriebes stets den jeweils richtigen Wert hat.
Die bisher erwähnten Einrichtungen lassen sich noch weiter verbessern. Die den Erregerstrom 4 (s. z. B. Fig. 1), liefernde Stromquelle würde nämlich über den Generatorsatz zur Speisung des Netzes 5 mit herangezogen werden und daher einer nicht unbeträchtlichen mechanischen Antriebsenergie bedürfen.
Erfindungsgemäss muss daher die Kommutatormaschine so eingerichtet sein, dass eine Leistungsübertragung auf induktivem Wege von primären zum sekundären Teil ausgeschlossen ist. Sie wird daher als sogenannte kompensierte Maschine ausgeführt, bei der z. B. Ständerund Läuferwieklungen so in Reihe geschaltet sind, dass sich ihre Amperewindungen gegenseitig aufheben. Eine der Maschine über den Ständer zugeführte Leistung kann sich deshalb nur in mechanische Energie an der Welle umsetzen und umgekehrt, während an den Schleifringen lediglich Erregerstrom vorhanden ist. Da diese Erregerströme nur die Magnetisierung und einen Teil der Ohmschen Verluste der Hintermaschine zu decken haben, kann die Grösse der Erregermaschine im Vergleich zu dem Hauptgenerator verschwindend kleingehalten werden.
Wird ein Maschinensatz z. B. nach Fig. 1 von der Stromquelle 4 aus erregt und läuft der Generator mit einer der Erregerperiodenzahl 4 genau entsprechenden Synchrondrehzahl, so hat die von den Bürsten der Hintermaschinen aufgedrückte Spannung EB lediglich die durch den Magnetisierungsstrom im Läufer verursachten Ohmschen Spannungsabfälle zu decken. Denn infolge des synchronen Laufes werden irgendwelche elektromotorischen Kräfte in der
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ein Kreis gezeichnet, der der Amplitude dieser Spannung entspricht. Dieser Kreis ist der geometrische Ort des Endpunktes dieses Vektors, denn die Phasenlage von EB zu der Klemmenspannung Ei liegt nicht ohne weiteres fest und ist davon abhängig, welche Spannungsabfälle und fMXX im Sekundärstromkreis der Vordermaschine zu überwinden sind.
Wird jetzt dieser leerlaufende Generator vom Netz 5 aus mit einem Wirkstrom Ji belastet, so ensteht an der Welle des Generators ein verzögerndes Moment, das von der antreibenden Kraftmaschine überwunden werden muss. Die Drehzahl der Kraftmaschine wird entsprechend der Charakteristik ihres Reglers absinken und dadurch dem Generator zu untersynchronem Lauf bringen. Im Sekundärstromkreis entsteht dadurch eine EMBz, ausserdem tritt im sekundären Stromkreis ein weiterer Ohmscher Spannungsabfall des Wechselstromes J/I'2 auf.
Dieser und die zusätzliche EMK2z liegen miteinander in Phase ; ihnen muss von der aufgedrückten Spannung EB das Gegengewicht gehalten werden, d. h. aber, die Bürstenspannung Eg muss eine Komponente-E/ entwickeln, die der Summe der beiden ersten Spannungen gleich und entgegengesetzt ist.
Aus dem Diagramm geht hervor, dass der Vektor BB in der Lage jE/dieser Anforderung genügt. Für die Deckung des durch den Magnetisierungsstrom hervorgerufenen Ohmschen Spannungsabfall bleibt aber dann nur noch der Vektor ils 2 übrig, der bedeutend kleiner ist als der im
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zahl der Kraftmaschine unterhalb der der Erregerfrequenz 4 entsprechenden synchronen Drehzahl liegt, dass also der Generator von vornherein im untersyclironen Bereich arbeitet. in diesen Betriebszustand muss die aufgedruckte Hintermaschinenspannung EB bei Leerlauf den durch den Magnetisierungsstrom hervorgerufenen Spannungsabfall i r2 und die durch den Schlupf hervorgerufene sekundäre EMK2o decken. Sie genügt dieser Bedingung in der Vektorlage E2.
Wird der Generator belastet, so entsteht im Sekundärstromkreis ein Ohmscher Spannungsabfall des Wattstromes J/r2 und eine durch Abfall der Kraftmaschinendrehzahl verursachte zusätzliche EJIK2z'Die aufgedrückte Spannung EB muss nunmehr den drei in Phasen liegenden Vektoren EMK2o, j2lr2 und EMK2z das Gleichgewicht halten, sie genügt diesen Bedingungen in der Lage E.'. Die für den Ohmschen Spannungsabfall des Erregerstromes dann zur Verfügung stehende Komponente i/I'2 ist abermals wesentlich kleiner als die ursprüngliche igr2 und verursacht ein starkes Fallen der Spannung mit der Belastung.
Wesentlich andere Verhältnisse liegen vor, wenn die Leerlaufdrehzahl der Kraftmaschine
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gewicht zu halten ist. Dieser Bedingung genügt die aufgedrückte Spannung Eu in der Lage A'/.
Zur Deckung des durch den Erregerstrom verursachten Ohm'schen Spannungsabfalls steht aber nunmehr der Vektro i r2l zur Verfügung, und dieser ist jetzt grösser als der Vektor bei Leer- lauf il'. :, d. h. aber, der Magnetisierungsstrom ist bei Belastung grösser, das Feld # stärker und die Klemmenspannung E1 höher. Es ist also dies eine selbsttätige Gegenkompoundierung der Spannung, die nur in jedem Fall erwünscht sein kann, da die zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Netzspannung erforderliche Magnetisierung sowohl für den Generator wie für alle Belastungsmaschinen mit der Belastung wächst.
Bei richtiger Einstellung der übersynchronen Leerlaufsdrehzahl kann die Steigerung der Magnetisierung bei Belastung in solchen Grenzen gehalten werden, dass ohne irgendwelche Regelung die Netzspannung praktisch konstant bleibt.
Es sind also mit derartigen Anordnungen Asynchrongeneratoren gefunden, deren Frequenz völlig und deren Spannung nahezu unabhängig von der Belastung ist. Während man mit teueren und komplizierten Reglern bisher bemiiht war, die Kraftmaschinendrehzahl möglichst konstant zu halten, sind solche Regler nunmehr nicht mehr nötig. Es ergibt sich aus der Fig. 6, dass
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Kraftmaschine bei wachsender Belastung ist.
Die Anordnungen können sogar so ausgebildet werden, dass bei wachsender Belsastung die Klemmspannung steigt, d. h., dass durch die Charakteristik des Asynchrongenerators die im Netz entstehenden Spannungsabfälle und ein etwa vorhandener Mehrbedarf an Blindleistung selbsttätig gedeckt wird.
Für Fälle, in denen die Spannungscharakleristik den gegebenen Verhältnissen nicht genau angepasst werden kann, ist es natürlich ohne weiteres möglich, die Erregerquelle 4 von Hand oder selbsttätig zu beeinflussen. So kann z. B., wenn der Erregerstrom 4 einem kleinen Synchron- generator entnommen wird, die Erregung des Synchrongenerators mit bekannten Mitteln, wie Schnellregler, usw. nach bekannten Schaltungen in Abhängigkeit von Betriebszuständen des Hauptnetzes selbsttätig beeinflusst werden.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist am einfachsten die Erregerfrequenz 4 gleich der gewünschten Netzfrequenz zu wählen. Da Infolge der Kompensation der Kommutatorhintermaschine die den Erregerstrom liefernde Quelle zu einer Wirkleistungsabgabe nicht herangezogen wird, kann man die Frequenz dieses Stromes leicht konstanthalten. Damit ist die Aufgabe der Konstanthaltung der Netzperiodenzahl in einfachster Weise gelöst. Verwendet man z. B. zur Erzeugung des Erregerstromes einen kleinen SYl1ehrongenerator, so kann man mit an sich bekannten Mitteln die Drehzahl dieses Generators, damit die Erregerperindenzahl und damit auch die Netzperiodenzahl konstanthalten.
Arbeiten mehrere Asynchrongeneratoren auf das gleiche Netz, so ist ein pendelloses Parallelarbeiten gewährleistet, wenn sämtliche Generatoren aus ein und derselben Erregerquelle gespeist werden. Da für diese Generatoen hiedurch die Bedingung des synchronen Vektorlaufes von vornherein gegeben ist, so macht die Parallelschaltung keinerlei Schwierigkeiten.
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Werden dagegen parallel arbeitende Generatoren von verschiedenen Erregerquellen gespeist, so sind Vorkehrungen zu treffen, dass die Erregerquellen synchron laufen. Dies kann mit Hilfe bekannter Mittel, z. B. durch Syncbronisierungsleitungen für die Erregernetze oder mit mechanischen Anordnungen erreicht werden. Durch Verdrehung der Erregervektoren kann man die Belastung auf die verschiedenen Asynchrongeneratoren nach Belieben verteilen. Dieselbe Wirkung kann man erreichen durch Verstellung der Kraftmaschinenregler oder auch durch die Beeinflussung der Erregerspannung.
Mit jeder Änderung der Belastungsverteilung durch Drehung des Erregervektors ändert sich auch die Verteilung der Blindleistungserzeugung. Die Charakteristik der Blindleistungserzeugung richtet sich insbesondere nach der Einstellung des Generatorsatzes auf über-und untersynchronen Leerlauf.
Sind in einem Netz mehrere räumlich voneinander getrennte Asynchrongeneratorenanlagen vorhanden, so ist es zumeist nur notwendig, dass eine dieser Generatoranlagen als taktgebende Maschine mit einer konstanten Periodenzahl das Netz speist. Alle übrigen Generatoren können Asynchrongeneratoren bekannter Art sein, die zur selbständigen Speisung des Netzes nicht geeignet sind. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, die beim Vorhandensein mehrerer selbständig arbeitender Generatoren vorhanden wäre, die Erregermaschinen der einzelnen Generatoren durch Synchronisierungsvorrichtungen miteinander zu verbinden. Für den Fall, dass die takthaltende Generatoranlage ausfällt, muss eine andere Generatoranlage taktgebend zur Wirkung gebracht werden, damit die unselbständigen Generatoren weiterarbeiten können.
Es wird sich also empfehlen, diejenigen Generatoranlagen, die infolge ihrer Grösse oder aus anderen Betriebsbedingungen zur Takthaltung in Frage kommen, so auszubilden, dass sie sowohl selbständig wie nicht selbständig arbeiten können. Dies wird dadurch erreicht, dass z. B. in einer Wasserkraftanlage die für selbständigen Betrieb bestimmte Erregermaschine von einer Wasserturbine mit konstanter Drehzahl angetrieben wird, wenn die Anlage takthaltend arbeiten soll. Wird das Takthalten von einer anderen Anlage übernommen, so wird die Erregermaschine durch einen Synchronmotor, der am Netz hängt, angetrieben, während die Wasserturbine abgekuppelt wird oder leer mitläuft. Der Generator wird dann jeweils mit der Netzperiodenzahl über den Synchron-Umformer erregt, arbeitet also unselbständig.
Durch die wahlweise Verlegung der takthaltenden Maschine ist es mit diesen Anordnungen möglich, auf einfachste Weise allen vorkommenden Betriebsbedingungen, z. B. Bereitschaft, zur Verfügung stehende Energiemenge usw. nachzukommen und die Anordnung selbständig arbeitender Generatoranlagen auf ein Mindestmass zu beschränken.
Die Erfindung erstreckt sich im übrigen auf Maschinen beliebiger Phasenzahl.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Speisung eines Wechselstromnetzes durch einen Asynchrongenerator, dadurch gekennzeichnet, dass dieser über eine Vorrichtung zur Umformung der Frequenz von einer Wechselstromquelle erregt wird, deren Spannung und Periodenzahl von dem zu speisenden Netz unabhängig ist.