Anordnung zur Korrigierung der Klemmenspannung von in den Sekundärstromkreis von Asynchronmaschinen mindestens mittelbar eingeschalteten Kommutatormaschinen. Bei der Regelung von asynchronen Ma schinen durch Kommutatorhintermaschinen wird vielfach ein Frequenzumformer ver wendet, dem die Aufgabe zufällt, in den sekundären Stromkreis der zu regelnden asynchronen Maschinen unmittelbar oder mittelbar eine regelbare, von der Schlüpfung der Hauptmaschine unabhängige Spannung einzuführen. Dabei besteht zwischen Primär- und Sekundärspannung des Frequenzum formers Proportionalität, wenn man von der durch den Belastungsstrom hervorgerufenen Spannungsänderung absieht.
Diese Propor tionalität geht aber verloren, wenn man den Frequenzumformer durch eine von dem Ankerstrom durchflossene Ständerwicklung kompensiert. Diese Spannung der Schlupf frequenz wird dann nicht nur der Schleif ringspannung, sondern auch dem Synchro nismusgrad
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der Maschine proportional, wo n die augenblickliche Drehzahl der Ma schine, n0 die Synchrondrehzahl bedeuten. Die Maschine verliert dabei ihre Eigenschaft als Umformer vollkommen. Sie wirkt viel mehr als Generator oder als Motor der Schlupffrequenz, welcher von Wechselstrom der Netzfrequenz über die Schleifringe er regt wird. Aus diesem Grunde soll in der Folge diese Maschine als Kommutator maschine mit Netzfrequenzerregung bezeich net werden.
Bei der Kommutatormaschine mit Netzfrequenzerregung ist also die Ma schinenspannung (Klemmenspannung der Schlupffrequenz) nicht allein der Erreger spannung (Schleifringspannung), sondern auch dem Synchronismusgrad
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propor tional. Diese Abhängigkeit der Maschinen spannung vom Synchronismusgrad bringt aber gewisse Nachteile mit sich, die man lieber vermeidet. Wenn die in den Sekundärstromkreis einer Asynchronmaschine eingeschaltete Kommutatorhintermaschine im Ständer mit Schlupffrequenzerregung erregt wird, ist es in vielen Fällen vorteilhaft, sie mit der asynchronen Hauptmaschine mechanisch zu kuppeln.
In diesem Falle ist aber die Span nung der Kommutatormaschine nicht nur ihrem Erregerstrom, sondern auch dem Syn chronismusgrad proportional, das heisst sie ist auch von der Drehzahl der asynchronen Hauptmaschine abhängig. Diese Abhängig keit der Maschinenspannung vom Synchro nismusgrad ist aber für die Erreichung des Zieles ebenso hinderlich, wie dies bei der kompensierten Kommutatormaschine mit Netzfrequenzerregung der Fall war. Es ist also wichtig, auch die Spannung der kom pensierten Kommutatormaschine mit Schlupf frequenzerregung im Ständer unabhängig von ihrer Drehzahl, also vom Synchronismus grad der Hauptmaschine zu gestalten.
Die Erfindung betrifft nun eine Anord nung, die es gestattet, die geschilderten störenden Abweichungen der Klemmenspan nung der Kommutatormaschine vom Soll betrage zu beseitigen. Erfindungsgemäss ist ein rückwirkungsloser Kopplungstransforma tor vorgesehen, dessen Primärwicklung mit einem der Klemmenspannung (korrigierten oder unkorrigierten) der Kommutator maschine proportionalen, Schlupffrequenz aufweisenden Strom gespeist wird und des sen Sekundärspannung mindestens mittelbar in den Ankerstromkreis der Kommutator maschine eingeführt ist und dort die geschil derte Abweichung der Klemmenspannung vom Sollbetrage aufhebt.
In den Fig. 1 bis 9 ist der Erfindungs gedanke an praktischen Beispielen näher er läutert.
Bei der Schaltung der Fig. 1 ist 1 die Kommutatormaschine mit Netzfrequenzer regung, 2 der Kopplungstransformator und eine mit Kondensatoren belastete asyn chrone Maschine, die die Aufgabe besitzt, den Primärstromkreis III des Kopplungs transformators 2 induktionsfrei-zu gestalten. Wird mit U2 die Erregerspannung (Schleif ringspannung) bezeichnet, so ist
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die unkorrigierte Klemmenspannung der Schlupffrequenz, wenn s die Schlüpfung ist. Zu dieser Spannung addiert sich die Span nung U32 des Kopplungstransformators 2, dessen Primärwicklung von der Spannung U2 . (1-s) gespeist wird.
Die Sekundär spannung des Kopplungstransformators ist, da der Transformator mit Schlupffrequenz, arbeitet: U32 = U2 (1-s) s (2) Es ist dabei vorausgesetzt, dass der Strom in der Primärwicklung des Kopplungstransfor mators 2 proportional der speisenden Span nung U2 (1-s) ist, was sich durch Ein schaltung von ohmschen Widerständen oder durch die Anordnung der die Selbstinduk tionsspannung in der Primärwicklung auf hebenden Kondensatormaschine 3 erreichen lässt. Ausserdem ist das Übersetzungsverhält nis am Transformator derart gewählt, dass der in der Gleichung 2 mit U2 noch zu mul tiplizierende konstante Faktor k gleich 1 ist.
Für die durch den Kopplungstransformator korrigierte Spannung der Kommutatorma schine UII ergibt sich dann die Gleichung UII = U2 (1-s) + U2 (1-s) I s = (3) U2- U2S2= U2 (1-S2) Man sieht, dass die durch den Kopplungs transformator korrigierte Spannung der Kommutatormaschine vom Sollbetrage nur noch um einen Wert abweicht, der dem Quadrate des Schlupfes proportional ist. Dieser Wert ist aber durch die Quadratie- rung derart klein geworden, dass er in den meisten Fällen vernachlässigt werden kann.
Man kann aber auch diese Abweichung beseitigen, wenn man die Schaltung gemäss Fig. 2 zur Anwendung bringt. Hier wird die Primärwicklung des Kopplungstransfor mators von einer Spannung gespeist, die gleich ist der Summe der Klemmenspan- nung der Kommutatormaschine und der Sekundärspannung des Kopplungstransfor mators. Bezeichnet man diese Summenspan nung oder korrigierte Klemmenspannung mit UII so ergeben sich folgende Beziehungen: UII = U2 (1-s) + UII S UII (1-s) = U2 (1-s) UII = U2 (4) Es ist dabei wieder vorausgesetzt, dass das Übersetzungsverhältnis an dem Kopplungs transformator derart gewählt ist, dass seine Sekundärspannung gleich der speisenden Pri märspannung UII multipliziert mit s ist.
Wesentlich wirtschaftlicher wird die An ordnung, wenn man die Spannung der Kom mutatormaschine mit Netzfrequenzerregung nicht unmittelbar, sondern erst mittelbar korrigiert. Dies geschieht durch Korrektion der Erregerspannung, also einer Spannung der Netzfrequenz. Es ist demnach nötig, zu nächst die vom Kopplungstransformator her rührende Spannung der Schlupffrequenz in eine Spannung der Netzfrequenz umzufor men.
Bei der Schaltung der Fig. 3 dient die Spannung der Wechselinduktion des Kopp lungstransformators 2 zur Erregung einer praktisch rückwirkungslosen asynchronen Maschine 3. Dabei muss der Erregerstrom kreis dieser Maschine praktisch induktions frei sein. In der Fig. 3 wird dies erreicht durch die schon mehrfach erwähnte Konden satormaschine 4. Der Primärstromkreis III des Kopplungstransformators 2 ist dagegen durch Einschaltung eines induktionslosen Widerstandes 5 praktisch induktionsfrei ge macht. Die Sekundärwicklung der asyn chronen Maschine 3 ist in den Erregerstrom kreis der Kommutatormaschine mit Netz frequenzerregung zu schalten. Diese Reihen schaltung der Läuferwicklungen der Ma schine 1 und 3 ist in Fig. 3 durch die Ver bindung zwischen den Schleifringen ange deutet.
Indessen ist es klar, dass die ge nannte Reihenschaltung auch ohne Zuhilfe nahme von Schleifringen geschehen kann, wenn zwei Maschinen auf der gleichen Welle sitzen. Bei der wirklichen Ausführung kom men demnach die sechs Schleifringe zwi schen den Maschinen 1 und 3 in Wegfall. Wird, wie weiter oben mit U2 die von aussen zugeführte Erregerspannung der Kommuta tormaschine 1 bezeichnet, so lässt sich nach weisen, dass die Spannung der Maschine 1 den Wert U1 (1-s2) annimmt, falls der Kopplungstransformator entsprechend dimen sioniert wird.
Genau zu den gleichen Ergebnissen kommt man mit Hilfe der Schaltung der Fig. 4. Bei dieser wird die Spannung der Wechselinduktion des Kopplungstransforma tors 2 durch einen Frequenzumformer 3 auf die Netzperiodenzahl gebracht und durch den Transformator 4 in den Erregerstrom kreis der Kommutatormaschine 1 eingeführt. Auch hier muss Sorge getragen werden, dass der Wirkwiderstand des Stromkreises IIl gross gegenüber dem Blindwiderstand sei. In Fig. 4 ist dies durch Einschaltung eines Widerstandes 5 erreicht.
Die Fig. 5 und 6 zeigen Anordnungen, bei denen die Kommutatormaschine im Stän der mit Schlupffrequenz erregt wird und ausserdem mit der asynchronen Haupt maschine (nicht besonders dargestellt) me chanisch gekuppelt ist. Die Klemmenspan nung der Kommutatormaschine weicht dann von ihrem Sollbetrage ebenfalls um einen dem Schlupf proportionalen Werte ab. Diese Abweichung ist nun bei den Anordnungen nach Fig. 5 und 6 mit Hilfe des Kopplungs transformators 2 in derselben Weise korri giert wie bei den Schaltungen der Fig. 1 und 2. Die Anordnung nach Fig. 5 weicht von der nach Fig. 1 allerdings insofern ab, als der Primärstromkreis des Kopplungstransforma tors durch Einschaltung von ohmschen Widerständen 3 induktionslos gemacht ist.
Bei der mittelbaren Lösung der Aufgabe wird die Sekundärwicklung des Kopplungs transformators nicht in den Ankerstrom kreis, sondern in den Erregerstromkreis der betreffenden kompensierten Kommutatorma- schine mit Schlupffrequenzerregung einge schaltet, um Proportionalität zwischen der Maschinenspannung und der Erregerspannung zu erreichen. Dadurch erreicht man auch eine wesentliche Verkleinerung des Kopp lungstransformators und damit eine Verbil ligung der Regelanlage.
Eine solche Schaltung ist in Fig. 7 dar gestellt. Der Kopplungstransformator 2, des sen Primärstromkreis von der Spannung der Kommutatormaschine 1 gespeist wird - und durch eine Kondensatormaschine 3 induktions frei gestaltet ist, arbeitet auf den Erreger stromkreis der Kommutatormaschine. Dabei ist für die Wirksamkeit der Schaltung erfor derlich, dass auch der Blindwiderstand des Erregerstromkreises III in irgend einer Weise kompensiert sei.
Bei den Schaltungen der Fig. 3, 4 und 7, bei welchen der Kopplungstransformator 2 auf den Erregerstromkreis der betreffenden Kommutatormaschine 1 einwirkt, kann die Schaffung eines besonderen induktionsfreien Stromkreises für die Primärwicklung des Kopplungstransformators entfallen, wenn der von der Kommutatormaschine gespeiste Stromkreis II induktionsfrei ist und in die sem auch sonst keine weiteren Spannungen, die die Proportionalität zwischen dem Strome und der Spannung der Kommutatormaschine stören könnten, vorkommen. In einem solchen Falle kann man die Primärwicklung des Kopplungstransformators 2 in den Strom kreis II legen, wie es in den Fig. 8 und 9 geschehen ist.
Bei den gebrachten Schaltungen war an genommen, dass der Blindwiderstand des pri mären Stromkreises der verwendeten Kopp lungstransformatoren entweder durch Ein schalten eines ohmschen Widerstandes oder einer Kondensatormaschine klein gemacht sei gegenüber dem ohmschen Widerstand. Es ist selbstverständlich, dass an Stelle der erwähn ten Mittel auch irgend ein anderes treten könnte, welches befähigt ist, den Blindwider stand des genannten Stromkreises klein gegenüber dem ohmschen zu machen.
Bei den bisherigen Ausführungen ist fer ner stillschweigend angenommen worden, dass die sämtlichen Kopplungstransformatoren als Drehtransformatoren ausgeführt seien. In dessen ist dies für die Wirksamkeit der An ordnung nicht nötig. Man kann auch ge wöhnliche statische Transformatoren wählen, wenn man dieselben möglichst rückwirkungs los ausführt und mit passenden Wicklungen versieht. Auch die Kombination beider Ar ten von Transformatoren oder auch zweier Transformatoren der gleichen Art an Stelle eines einzigen Kopplungstransformators ist möglich. Namentlich die zuerst genannte Kombination beider Arten von Kopplungs transformatoren kann mit Vorteil verwendet werden, und zwar dann, wenn der Winkel zwischen den zwei Wicklungen bei Verwen dung eines einzigen Kopplungstransforma tors verhältnismässig wenig von 0 oder 180 abweicht.
In diesem Falle wird man einen statischen Kopplungstransformator zur Er zeugung jener Komponente, die senkrecht zum Primärstrom des betreffenden Kopp lungstransformators steht und einen Dreh transformator zur Erzeugung jener Kompo nente der Spannung, die senkrecht zu der ersten Komponente steht, verwenden. Dabei kann an Stelle des drehbaren Kopplungs transformators auch ein statischer Kopp lungstransformator treten, dessen Sekundär wicklung beim Übergang durch den Synchro nismus umgeschaltet wird. An Stelle der er wähnten Umschaltung der sekundären Wick lungen kann durch Anordnung zweier Sekun därwicklungen die Einschaltung der einen an Stelle der andern beim Übergang durch den Synchronismus treten.
Arrangement for correcting the terminal voltage of commutator machines which are at least indirectly switched on in the secondary circuit of asynchronous machines. When controlling asynchronous machines by means of commutator rear machines, a frequency converter is often used which has the task of directly or indirectly introducing a controllable voltage independent of the main machine's slip into the secondary circuit of the asynchronous machine to be controlled. There is proportionality between the primary and secondary voltage of the frequency converter, if one disregards the voltage change caused by the load current.
This proportionality is lost if the frequency converter is compensated by a stator winding through which the armature current flows. This voltage of the slip frequency then becomes not only the slip ring voltage, but also the degree of synchronization
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proportional to the machine, where n is the current speed of the machine and n0 is the synchronous speed. The machine completely loses its quality as a converter. It acts much more as a generator or as a motor for the slip frequency, which is excited by the alternating current of the mains frequency via the slip rings. For this reason, this machine is to be referred to as a commutator machine with mains frequency excitation in the following.
In the commutator machine with mains frequency excitation, the machine voltage (terminal voltage of the slip frequency) is not only the exciter voltage (slip ring voltage), but also the degree of synchronism
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proportional. However, this dependency of the machine voltage on the degree of synchronism has certain disadvantages which it is better to avoid. If the commutator rear machine, which is connected to the secondary circuit of an asynchronous machine, is excited with slip frequency excitation in the stator, it is advantageous in many cases to mechanically couple it with the asynchronous main machine.
In this case, however, the voltage of the commutator machine is not only proportional to its excitation current, but also to the degree of synchronicity, i.e. it is also dependent on the speed of the asynchronous main machine. This dependence of the machine voltage on the degree of synchro nism is just as a hindrance to achieving the goal, as was the case with the compensated commutator machine with mains frequency excitation. It is therefore important that the voltage of the compensated commutator machine with slip frequency excitation in the stator is independent of its speed, i.e. the degree of synchronism of the main machine.
The invention now relates to an arrangement that allows the described disruptive deviations of the clamping voltage of the commutator machine from the target amount to be eliminated. According to the invention, a non-reactive coupling transformer is provided, the primary winding of which is fed with a slip frequency proportional to the terminal voltage (corrected or uncorrected) of the commutator machine and whose secondary voltage is introduced at least indirectly into the armature circuit of the commutator machine and there the shielded deviation of the Terminates tension from the target amount.
In FIGS. 1 to 9, the concept of the invention is explained in more detail using practical examples.
In the circuit of FIG. 1, 1 is the commutator machine with Netzfrequency excitation, 2 is the coupling transformer and an asynchronous machine loaded with capacitors, which has the task of making the primary circuit III of the coupling transformer 2 induction-free. If U2 denotes the excitation voltage (slip ring voltage), then is
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the uncorrected terminal voltage of the slip frequency when s is the slip. The voltage U32 of the coupling transformer 2, whose primary winding depends on the voltage U2, is added to this voltage. (1-s) is fed.
The secondary voltage of the coupling transformer is, because the transformer works with slip frequency: U32 = U2 (1-s) s (2) It is assumed that the current in the primary winding of the coupling transformer 2 is proportional to the feeding voltage U2 (1 -s) is what can be achieved by switching ohmic resistors or by arranging the self-induction voltage in the primary winding on the capacitor machine 3. In addition, the transformation ratio on the transformer is selected in such a way that the constant factor k to be multiplied by U2 in equation 2 is equal to 1.
The equation UII = U2 (1-s) + U2 (1-s) I s = (3) U2- U2S2 = U2 (1-S2) results for the voltage of the commutator machine UII corrected by the coupling transformer. that the voltage of the commutator machine corrected by the coupling transformer only deviates from the nominal amount by a value that is proportional to the square of the slip. However, as a result of the squaring, this value has become so small that it can be neglected in most cases.
However, this deviation can also be eliminated if the circuit according to FIG. 2 is used. Here the primary winding of the coupling transformer is fed by a voltage which is equal to the sum of the terminal voltage of the commutator machine and the secondary voltage of the coupling transformer. If this total voltage or corrected terminal voltage is designated as UII, the following relationships result: UII = U2 (1-s) + UII S UII (1-s) = U2 (1-s) UII = U2 (4) It is there again provided that the transformation ratio on the coupling transformer is selected such that its secondary voltage is equal to the feeding primary voltage UII multiplied by s.
The arrangement is much more economical if the voltage of the commutator machine with mains frequency excitation is not corrected directly, but only indirectly. This is done by correcting the excitation voltage, i.e. a voltage of the mains frequency. It is therefore necessary to first convert the voltage of the slip frequency coming from the coupling transformer into a voltage of the mains frequency.
In the circuit of FIG. 3, the voltage of the alternating induction of the coupling transformer 2 is used to excite a practically non-reactive asynchronous machine 3. The excitation circuit of this machine must be practically induction-free. In Fig. 3 this is achieved by the capacitor machine already mentioned several times. The primary circuit III of the coupling transformer 2, however, is practically induction-free by switching on a non-inductive resistor 5 makes. The secondary winding of the asynchronous machine 3 is to be switched into the excitation circuit of the commutator machine with mains frequency excitation. This series connection of the rotor windings of the Ma machine 1 and 3 is indicated in Fig. 3 by the connection between the slip rings.
However, it is clear that the series connection mentioned can also be done without the aid of slip rings if two machines are on the same shaft. In the real version, the six slip rings between machines 1 and 3 are omitted. If the externally supplied excitation voltage of the commutator machine 1 is referred to as U2 above, it can be demonstrated that the voltage of the machine 1 assumes the value U1 (1-s2) if the coupling transformer is dimensioned accordingly.
Exactly the same results can be obtained with the aid of the circuit of FIG. 4. In this case, the voltage of the alternating induction of the coupling transformer 2 is brought to the network period number by a frequency converter 3 and introduced into the excitation circuit of the commutator machine 1 by the transformer 4. Here, too, care must be taken that the effective resistance of the circuit III is large compared to the reactance. In FIG. 4, this is achieved by switching on a resistor 5.
5 and 6 show arrangements in which the commutator machine in the stand is energized with the slip frequency and is also mechanically coupled to the asynchronous main machine (not particularly shown). The terminal voltage of the commutator machine then also deviates from its nominal value by a value proportional to the slip. This deviation is now in the arrangements of FIGS. 5 and 6 with the aid of the coupling transformer 2 in the same way corrected as in the circuits of FIGS. 1 and 2. The arrangement of FIG. 5 differs from that of FIG from when the primary circuit of the coupling transformer is made inductionless by switching on ohmic resistors 3.
In the indirect solution of the task, the secondary winding of the coupling transformer is not switched into the armature circuit, but into the excitation circuit of the relevant compensated commutator machine with slip frequency excitation in order to achieve proportionality between the machine voltage and the excitation voltage. This also results in a significant reduction in the size of the coupling transformer and thus a reduction in the size of the control system.
Such a circuit is shown in Fig. 7 represents. The coupling transformer 2, whose primary circuit is fed by the voltage of the commutator machine 1 - and is designed induction-free by a capacitor machine 3, works on the excitation circuit of the commutator machine. It is necessary for the effectiveness of the circuit that the reactance of the excitation circuit III be compensated in some way.
In the circuits of FIGS. 3, 4 and 7, in which the coupling transformer 2 acts on the excitation circuit of the commutator machine 1 concerned, the creation of a special induction-free circuit for the primary winding of the coupling transformer can be omitted if the circuit II fed by the commutator machine is induction-free and in this sem no further voltages that could disturb the proportionality between the current and the voltage of the commutator machine occur. In such a case, the primary winding of the coupling transformer 2 can be placed in the current circuit II, as was done in FIGS.
In the circuits presented, it was assumed that the reactance of the primary circuit of the coupling transformers used was made small compared to the ohmic resistance either by switching on an ohmic resistor or a capacitor machine. It goes without saying that instead of the means mentioned, some other could also be used which is capable of making the reactance of the circuit mentioned small compared to the ohmic one.
In the previous explanations it has also been tacitly assumed that all the coupling transformers are designed as rotary transformers. In that this is not necessary for the effectiveness of the arrangement. Ordinary static transformers can also be selected if they are designed to be as reactive as possible and fitted with suitable windings. The combination of both types of transformers or two transformers of the same type instead of a single coupling transformer is also possible. In particular, the first-mentioned combination of both types of coupling transformers can be used with advantage, namely when the angle between the two windings deviates relatively little from 0 or 180 when using a single coupling transformer.
In this case, you will use a static coupling transformer to generate that component that is perpendicular to the primary current of the relevant coupling transformer and a rotary transformer to generate that component of the voltage that is perpendicular to the first component. Instead of the rotatable coupling transformer, a static coupling transformer can also be used, the secondary winding of which is switched when the transition is made by the synchro nism. Instead of switching the secondary windings mentioned above, by arranging two secondary windings, one can be switched on instead of the other in the transition through synchronism.