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Anordnung zur Regelung von Asynchroniiaschinen mit Kollektorhintermaschine.
Bei der Anordnung nach Patent Nr. 98336 wird für die Erregung der Kollektorhintermaschinen von Regelsätzen eine Asynchronmaschine und ein mit dieser in Reihe geschalteter Frequenzwandler verwendet. Diese beiden Maschinen können selbstverständlich zu einer einzigen, zweckmässig vom Läufer aus erregten Erregermaschine vereinigt werden. Eine derartige Anordnung zeigt beispielsweise die Fig. 1.
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und über die Ständerwicklung s wird die Erregerwicklung i ! der Hintermaschine b gespeist.
Hiebei ist wegen der wechselnden Frequenz eine Regelung der Phasenlage der Erregerspannung nötig, die durch Verschieben des Bürstensatzes an der Drehstromerregermasehine oder durch Änderung der Phasenlage ihrer Schleifringspannung mittels eines Drehtransformators erfolgt.
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bürsten r um 90 elektrische Grade versetzt angeordnet und ausserdem so bemessen, dass die in ihr induzierte
Spannung zu der von den Bürsten abgegriffenen Spannung im gleichen Verhältnis steht, wie der induktive zum Ohmschen Spannungsabfall in dem an die Erregermaschine angeschlossenen Erregerkreis. Die Erfindung erspart daher bei Regelsätzen mit fremderregter Kollektorhintermasehine ein Nachregeln zur Korrektur der Erregerspannung wegen Frequenzänderungen und ergibt einen selbsttätigen Betrieb mit einfachen Mitteln unter Einhaltung vorausbestimmter Regelgesetze.
Dadurch lässt sich beispielsweise erreichen, dass die Erregermaschine f den Ständer der Kollektorhintermaschine d mit Erregerstrom von gleichbleibender Grösse trotz sieh ändernder Frequenz speist, so dass sich nur die Winkelgesehwindigkeit des Drehfeldes in der Kollektorhintermasehine im gleichen Verhältnis mit der Frequenz des Erregerstromes ändert. Dies wird an Hand der Figuren 2,3 und 3a erläutert. Fig. 2 gibt die Wicklungsanordnung der Erregermaschine fund Fig. 3 das Vektordiagramm der Ströme und Spannungen des Erregerkreises wieder.
Der als Erregermaschine dienende dreiphasige asynchrone Frequenzwandler f hat drei Schleifringe i zur Speisung vom Netz mit Netzfrequenz und drei um 120 am Kollektor gegeneinander versetzte Bürsten r. drei Ständerwieklungen s, s, ssg, deren Wicklungsachsen, wie in der Zeichnung schematisch dargestellt, um 900 gegen die zugehörigen Bürsten verschoben sind. Er hat die gleiche Drehzahl wie der asynchrone Vordermotor, die Bürstensternspannung ER ist dann bekanntlieh bei ungeänderter Schleifringspannung konstant und von gleicher Frequenz wie jene der Läuferspannung des asynchronen Vordermotors. Diese Bürstenstemspannung ist nun zur Deckung des Ohmschen Spannungsabfalles J. R im Erregerkreis der Kollektorhintermaschine bestimmt.
Infolge der besonderen Anordnung der Ständerwicklungen s"s"s., wird in ihnen durch das Maschinenfeld der Drehfelderregermasehine die Spannung Es induziert, die derBürstensternspannung EE um 90 elektrischeGrade in der Zeitphase voraneilt. Die Klemmenspannung E (Fig. 3) der Erregermaschine setzt sich daher stets aus zwei in Quadratur stehenden Spannungskomponenten ER, Es zusammen. Die Frequenzunabhängige ER hat die Ohmsche Verlustspannuns'J. R im Erregerkreis zu decken, die frequenzabhängige Es den jeweiligen induktiven Spannungsabfall J # L *) Erstes Zusatzpatent Nr. 114007.
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im Erregerkreis, der sich mit der Frequenz des Erregerstromes ändert.
Die Grösse der Spannung ES ist durch entsprechende Bemessung der Wicklung so gewählt, dass sie zur Bürstenspannung ER im gleichen Verhältnis steht, wie der induktive J CI) L zum Ohmschen Spannungsabfall J. R des von der Erregermaschine gespeisten Stromkreises. Die Erregermaschine liefert daher eine resultierende Sternspannung E, welche der Ohmschen und induktiven Verlustspannung im Erregerkreis der Kollektorhintermaschine bei allen Frequenzen selbsttätig das Gleichgewicht hält. Der Erregerstrom J ist also z.
B. auch bei der halben Frequenz (schraffierte Spannungsdreieeke) unverändert derselbe. Nachregelungen sind also gar nicht erforderlich und die Bürstenachse schliessen daher dauernd gegenüber den Ständerwicklungs- achsen einen elektrischen Winkel von 900 ein, welcher während des Betriebes im ganzen Regelbereich, also auch während des synchronen Betriebes, ungeändert bleibt. Bei diesem wirkt der Frequenzwandler als Einankerumformer mit gleichstromerregtem Ständer.
Es genügt daher eine einmalige richtige Vorausbemessung der Erregermaschine oder einmalige Einjustierung (z. B. mittels zusätzlicher Einstellwiderstände) des durch sie gespeisten Erregersystems für alle Erregerstromstärken, die bei Änderung der Schleifringspannung auftreten können. Damit der
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aufeinander abgestimmten Maschinen so bemessen, dass nur geringe Erwärmungen auftreten.
Wären Erregermaschine und Erregersystem nicht aufeinander abgestimmt, so würde die angegebene
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einer bestimmten Frequenz eine gleiche Impedanzspannung J1 Zi = E wie früher ergeben, jedoch hätte der entsprechende Strom J1 andere Grösse und Phasenlage als früher.
Bei einer Änderung der Frequenz z. B. auf die Hälfte (schraffierte Spannungsdreieeke), reicht dagegen der Strom J/sowohl nach Phase als auch nach Grösse sehr stark vom Strom J1 ab. Am stärksten sind diese Abweichungen in der Umgebung des Synchronismus merkbar.
Bei Regelbetriebenist es oft notwendig, das Maschinenfeld der Kollektorhintermaschine nach zwei aufeinander senkrecht stehenden Achsen in verschiedener Gesetzmässigkeit zu ändern (z. B. nach Patent Nr. 95460). Um auch dabei die richtige Phasenlage des Erregerstromes unabhängig von dessen Frequenz zu erreichen, werden unter Benutzung der Erfindung zwei immer aufeinander senkrecht stehende Spannungen in folgender Weise erhalten : Eine Erregermasehine, die im Sinne der Erfindung eine
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komponente erzeugt, wird mit einer zweiten ebenso ausgestalteten Erregersmachine sekundärseitig reihengeschaltet, deren Erregerspannung gegen die der ersteren um 900 phasenverschoben ist.
Diese Phasenverschiebung bleibt bei allen Frequenzen erhalten, weil die einzelnen Erregerspannungen und Ströme-ihre gegenseitige Phasenlage aus den früher angegebenen Gründen nicht ändern.
Die Hintereinanderschaltung der sekundären Spannungen erfordert aber wenigstens an einer Maschine unverkettete Phasenwicklungen. Dabei ist die unverkettete Zweiphasenanordnung nach Fig. 4 am einfachsten und günstigsten. Jede der Erregermaschinen t1, ta hat dann je Phase einen Kollektor mit zugehöriger Ankerwicklung und zwei Schleifringe. Jede Phase einer Maschine ist mit einer in Quadratur dazu stehenden Phase der andern Maschine reihengeschaltet und dann zur entsprechenden Phase der Erregerwicklung der Kollektorhintermaschine geführt.
Das Feld der Kollektorhintermaschine b kann sodann in der einen Achse durch die Änderung der Schleifringspannung der Erregermaschine t1 und in der andern Achse durch die Schleifringspannung der Maschine ta nach vorausbestimmter Gesetzmässigkeit geregelt werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Regelung von Asynchronmaschinen mit Kollektorhintermaschine nach Patent Nr. 98336, dadurch gekennzeichnet, dass der Erregermaschinensatz (Erregerasynchronmaschine und Frequenzwandler) oder zweckmässig eine diese beiden Maschinen vereinigende Erregermaschine (t) eine induzierte Wicklung (s) besitzt, die gegenüber den Kollektorbürsten (r) der Erregermaschine um 90 elektrische Grade versetzt ist, so dass die Erregeranordnung eine frequenzunabhängige und eine dagegen um 900 phasenverschobene frequenzabhängige Erregerspannungskomponente erzeugt (Fig. 1 und 2).
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Arrangement for the regulation of asynchronous machines with collector rear machine.
In the arrangement according to patent no. 98336, an asynchronous machine and a frequency converter connected in series with this are used for the excitation of the collector rear machines of rule sets. These two machines can of course be combined into a single excitation machine, suitably excited by the rotor. Such an arrangement is shown, for example, in FIG. 1.
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and via the stator winding s the field winding i! the rear machine b fed.
Because of the changing frequency, it is necessary to regulate the phase position of the excitation voltage, which is carried out by moving the set of brushes on the three-phase exciter or by changing the phase position of its slip ring voltage using a rotary transformer.
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brushes r arranged offset by 90 electrical degrees and also dimensioned so that the induced in it
The voltage to the voltage tapped by the brushes is in the same ratio as the inductive to the ohmic voltage drop in the excitation circuit connected to the exciter. The invention therefore saves a readjustment for the correction of the excitation voltage due to frequency changes in the case of rule sets with externally excited collector background and results in automatic operation with simple means in compliance with predetermined control laws.
In this way it can be achieved, for example, that the exciter machine f feeds the stator of the collector rear machine d with an exciter current of the same size despite the changing frequency, so that only the angular velocity of the rotating field in the collector rear machine changes in the same ratio with the frequency of the exciter current. This is explained using FIGS. 2, 3 and 3 a. Fig. 2 shows the winding arrangement of the exciter and Fig. 3 shows the vector diagram of the currents and voltages of the exciter circuit.
The three-phase asynchronous frequency converter f serving as the excitation machine has three slip rings i for supplying the mains with mains frequency and three brushes r offset from one another by 120 on the collector. three stator weights s, s, ssg, the winding axes of which, as shown schematically in the drawing, are shifted by 900 against the associated brushes. It has the same speed as the asynchronous front motor, the brush star voltage ER is then known to be constant with unchanged slip ring voltage and of the same frequency as that of the rotor voltage of the asynchronous front motor. This brush tension is now intended to cover the ohmic voltage drop J. R in the excitation circuit of the collector rear machine.
As a result of the special arrangement of the stator windings s "s" s., The voltage Es is induced in them by the machine field of the rotating field exciter, which leads the brush star voltage EE by 90 electrical degrees in the time phase. The terminal voltage E (Fig. 3) of the exciter is therefore always composed of two voltage components ER, Es in quadrature. The frequency-independent ER has the ohmic loss voltage ins'J. R in the excitation circuit, the frequency-dependent Es the respective inductive voltage drop J # L *) First additional patent no. 114007.
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in the excitation circuit, which changes with the frequency of the excitation current.
The size of the voltage ES is selected by dimensioning the winding so that it has the same relationship to the brush voltage ER as the inductive J CI) L to the ohmic voltage drop J. R of the circuit fed by the exciter. The exciter therefore delivers a resulting star voltage E, which automatically maintains the equilibrium of the ohmic and inductive voltage loss in the exciter circuit of the collector rear machine at all frequencies. The excitation current J is therefore z.
B. also unchanged at half the frequency (hatched voltage triangle). Readjustments are therefore not necessary at all and the brush axis therefore permanently enclose an electrical angle of 900 with respect to the stator winding axes, which remains unchanged during operation in the entire control range, i.e. also during synchronous operation. In this case, the frequency converter acts as a single armature converter with a DC-excited stator.
A one-time correct pre-measurement of the exciter or one-time adjustment (e.g. by means of additional setting resistors) of the excitation system fed by it is therefore sufficient for all excitation currents that can occur when the slip ring voltage changes. So that the
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Matched machines are dimensioned in such a way that only slight warming occurs.
If the excitation machine and excitation system were not coordinated with one another, the specified
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A certain frequency would result in the same impedance voltage J1 Zi = E as before, but the corresponding current J1 would have a different magnitude and phase position than before.
When changing the frequency z. B. to half (hatched voltage triangle), on the other hand, the current J / extends very much from the current J1, both in terms of phase and size. These deviations are most noticeable in the vicinity of synchronism.
In regular operations it is often necessary to change the machine field of the collector rear machine according to two mutually perpendicular axes in different regularities (e.g. according to patent no. 95460). In order to achieve the correct phase position of the excitation current regardless of its frequency, two voltages that are always perpendicular to one another are obtained in the following way using the invention: An excitation machine, which in the sense of the invention is a
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component generated, is connected in series on the secondary side with a second, similarly designed excitation machine, the excitation voltage of which is phase shifted by 900 compared to that of the former.
This phase shift is retained at all frequencies because the individual excitation voltages and currents do not change their mutual phase position for the reasons given earlier.
The series connection of the secondary voltages, however, requires unlinked phase windings on at least one machine. The unlinked two-phase arrangement according to FIG. 4 is the simplest and cheapest. Each of the excitation machines t1, ta then has a collector with an associated armature winding and two slip rings for each phase. Each phase of a machine is connected in series with a phase of the other machine that is in quadrature and then led to the corresponding phase of the excitation winding of the collector rear machine.
The field of the collector rear machine b can then be regulated in one axis by changing the slip ring voltage of the exciter machine t1 and in the other axis by the slip ring voltage of the machine ta according to a predetermined law.
PATENT CLAIMS:
1. Arrangement for the regulation of asynchronous machines with collector rear machine according to patent no. 98336, characterized in that the excitation machine set (excitation asynchronous machine and frequency converter) or expediently an excitation machine (t) combining these two machines has an induced winding (s), which opposite the collector brushes ( r) the exciter machine is offset by 90 electrical degrees, so that the exciter arrangement generates a frequency-independent and a frequency-dependent excitation voltage component that is phase-shifted by 900 (FIGS. 1 and 2).