DE525419C - Aus zwei ueber Schleifringe erregten Periodenumformern und zwei von diesen gespeisten dreiphasigen Synchronmotoren bestehendes Maschinenaggregat - Google Patents

Description

Nachfolgend wird ein Aggregat beschrieben, welches aus zwei voneinander räumlich unabhängigen Maschinensätzen besteht, die die Eigentümlichkeit haben, daß ihre Drehzahlen von der Frequenz des dem Aggregat zugeführten Stromes unabhängig sind, wobei aber der Betrieb trotzdem die Merkmale eines synchronen Betriebes besitzt. Dieses Aggregat kann selbst zur Arbeitsleistung verwendet werden, kann aber auch als Hintermaschine einer Kaskade sowie als Regel- und Anlaßaggregat für Synchron- und Asynchronmotoren verwendet werden, wobei ein Anlassen des Synchronmotors mit hohem Leistungsfaktor ermöglicht wird.

Das Aggregat besteht entsprechend der Abb. i, die die allgemeine Schaltung im Grundprinzip ohne Einzelheiten angibt, aus den beiden Maschinensätzen I und II. Ein jeder dieser Sätze besteht aus einem Drehstromsynchronmotor 5/ bzw. S// und aus einem Periodenumformer Phj bzw. Phu. Letztere besitzen der Abb. 2 entsprechend, die die allgemeine Schaltskizze der Wicklungen der Maschine angibt, einen Gleichstromläufer, dessen Wicklung einerseits an einen Kommutator, andererseits über Anzapfungen an Schleifringe angeschlossen ist, wobei Bürsten und Schleifringe so und in solcher Anzahl angebracht sind, daß sie die Entnahme und Zuführung von Drehstrom gestatten. Außerdem besitzen die Periodenumformer in bekannter Weise entweder einen Ständer mit Blechen ohne Wicklung oder aber überhaupt keinen Ständer, wobei dann die Läufergleichstromwicklung in bekannter Weise tief in das Eisen eingebettet werden muß, damit sich das Feld im Eisen schließen kann.

Soll das Aggregat zur Arbeitsleistung verwendet werden, so wird die Last mit dem Satz II gekuppelt, wobei der Synchronmotor des Satzes II für die volle Last ausgebaut werden muß. Der Synchronmotor S/ dient dagegen nur zum Antrieb des Satzes I; er hat daher nur dessen Reibungsverluste zu überwinden. Der Periodenumformer Ph/ muß so gebaut werden, daß er die volle Leistung, die S// zugeführt wird, umformen kann, hingegen muß Ph/i nur die Leistung für S/ (Leistung zum Antrieb des Satzes I) umformen. Die allgemeine Schaltung geben die Abb. ι und 2 an. Im Augenblick der Inbetriebsetzung sind alle gezeichneten Schalter offen. Sodann wird der Schalter I eingeschaltet. Dadurch entsteht in dem stehenden Periodenumformer PA// ein Feld, das sich mit synchroner Geschwindigkeit dreht, wobei die Drehrichtung durch die Schaltung bedingt ist. Diese Drehrichtung ist durch die Richtung des eingezeichneten Pfeiles angegeben. Es wird nun zunächst angenommen, daß beim Läufer von Phu die Kommutatorbürsten auf Lamellen liegen, die mit unmittelbar an die Schleifringe angeschlossenen Wicklungselementen verbunden sind. Diese Lage ist in Abb. 3 schematisch angedeutet. In diesem

Falle ist das an die Schleifringe angelegte Spannungssystem ι (Abb. 4) mit dem an den Kommutatorbürsten entstehenden Spannungssystem 2 (Abb. 4) in Phase. Schaltet man nun den Schalter 2 ein, so entsteht im Ständer von S/ ein Feld, das mit dem Netz ebenso synchron rotiert, wie wenn der Ständer von Sf direkt an das Netz geschaltet wäre. Ist der Synchronmotor S/ für asynchronen Anlauf eingerichtet, was ohne weiteres zu erreichen ist, da die Leistung von S/ sehr klein ist, so kann der Schalter 2 unmittelbar eingelegt werden; das Polrad von 5/ läuft an und kann dann nach den üblichen Methoden synchronisiert und durch Einschalten des Schalters 5 erregt werden. Es läuft dann der Satz I in Richtung des Pfeiles (an S/) mit dem Netz synchron um. Legt man nun den Schalter 3 ein, so entsteht im Periodenumformer Ph/ ein stillstehendes Feld und auch ein stillstehendes Spannungssystem an den Bürsten von P/t/. Da nun S/ und Ph/ als aus demselben Netz gespeist betrachtet werden können (da die Spannungssysteme an Ph// in Phase sind), und S/ mit dem Drehfeld synchron umläuft und das Drehfeld an Ph/ relativ zu den festen Anzapfungspunkten der Schleifringe an Ph/ mit derselben Geschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung rotiert, so muß dieses räumlich stillstehende Feld im Beriadenumformer Ph/ eine feste räumliche Stellung haben, die lediglich durch die gegenseitige Lage der Läufer von Ph/ und S/ bestimmt wird. Sind diese beiden Läufer starr miteinander gekuppelt, so ist die Richtung des stillstehenden Feldes an Ph/ und also auch die Lage des Spannungssystems an den Kommutatorbürsten von Ph/ ein für allemal festgelegt.

Verdreht man nun den Läufer von Ph// aus der beschriebenen Lage (wo die Spannungssysteme an den Schleifringen und Kommutatorbürsten von Ph// in Phase waren) um den Winkel α (s. Abb. 5) entgegen der Drehrichtung des Drehfeldes in Ph//, also in Richtung des Pfeiles S//, so dreht sich das Drehfeld an den Bürsten und auch das damit synchron rotierende Polrad von S/ relativ zu seiner vorhergehenden netzsynchronen Drehgeschwindigkeit um denselben Winkel α gegen die Richtung des Pfeiles an S/ (Abb. 1) zurück. (Hierbei ist dieselbe Polpaar zahl von S/ und Ph// vorausgesetzt.) Dadurch dreht sich aber auch das stillstehende Feld in dem Phasenschieber Ph// und auch das Spannungssystem an den Bürsten desselben um denselben Winkel α in Richtung des Pfeiles an Ph₁, also in derselben Richtung, wie die Verdrehung des Läufers von Ph// erfolgt ist, vor. Die Lage des Spannungssystems an den Bürsten von Ph/ ist also gegenüber der Lage des Läufers von Ph// und, da Ph// mit dem Polrad von S// starr gekuppelt ist, auch gegenüber der Lage des Polrades von S// festgelegt. Bei einer Verdrehung des letzteren verdreht es sich in derselben Richtung um denselben Winkel. Legt man nun den Schalter 4 ein, so bildet sich im Ständer von S//, dem stillstehenden Spannungssystem an den Kommutatorbürsten von Ph/ entsprechend, ein stillstehendes Feld aus, es fließt also Gleichstrom in den Ständerwicklungen von 5//. Fällt nun die Richtung dieses Feldes mit der Polachse zusammen, bzw. liegt der maximale Amperewindungsdruck in den Standerwicklungen über den Polflächen, so kommt in S// kein Drehmoment zustande. Dreht man nun die Bürsten von Ph// aus dieser Lage, die als die neutrale Lage bezeichnet werden soll, um den Winkel γ gegen die Riehtung des Pf eiles an Ph// zurück, so dreht sich an den Kommutator bürsten von Ph/ das Spannungssystem um denselben Winkel γ vor. Es dreht sich aber auch im Ständer von 5//, da dieser eine Drehstromwicklung besitzt, das Ständerfeld gegenüber der vorherigen Lage, also gegenüber dem Polrad von S// um denselben Winkel γ vor. Wird nun das Polrad mit Gleichstrom erregt, so entsteht dadurch wie beim Betrieb eines jeden Drehstromsynchronmotors ein Drehmoment, welches das Polrad um denselben Winkel γ verdreht. Da aber nun die Lage des Spannungssystems an Ph/ gegenüber der Lage des PoI-raaes von 5//, wie beschrieben, festgelegt ist, so verdreht sich bei der Verdrehung des Polrades um den Winkel γ gleichzeitig auch das Spannungssystem an den Bürsten von Ph/ und auch die Lage des Feldes im Ständer von S//. Die Phasenverschiebung zwischen dem Ständerfeld und dem Polfeld in S// bleibt also bestehen, mithin auch das Drehmoment, d.h. S// läuft in Richtung des Pfeiles (Abb. 1) an. Hierbei liefert bei anwachsender Drehzahl des Satzes II Ph// an seinen Kommutatorbürsten einen Strom immer niedriger werdender Periodenzahl, und es läuft infolgedessen der Satz I auch entsprechend langsamer, und zwar ist die Drehzahl des Satzes I durch ri/=n_s—n// gegeben, wo ti_s die netzsynchrone Drehzahl ist. Die Summe der Drehzahlen der beiden Netze, wobei als positiv die Drehzahlen in Richtung der Pfeile (siehe die Pfeile an 5/ und S//) einzusetzen sind, ist also konstant = n_s gleich der netzsynchronen Drehzahl. Verschiebt man die Kommutatorbürsten von Ph/ in entgegengesetzter Richtung, wie beschrieben, so läuft S// gegen die Richtung des Pfeiles an, und der Satz I läuft dann übersynchron mit immer größer werdender Geschwindigkeit in Richtung des Pfeiles an 5/.

Hierbei ist dann natürlich die Drehzahl von Si/ negativ einzusetzen. Wie hieraus ersichtlich ist, superponiert sich durch das Einschalten des Lastschalters 4 und das Verstellen der Bürsten von Ph/ zu der schon vorhandenen Bewegung der beiden Sätze noch eine zusätzliche Drehung, die bei beiden Sätzen gleich groß ist. Bei einem Zurückstellen der Bürsten von Ph/ gegen die Richtung des

ίο Pfeiles entsteht, wie bereits beschrieben, eine zusätzliche Drehung an dem bisher stillstehenden Satz JI in Richtung" des Pfeiles an 5//, während beim Satz I dieselbe zusätzliche Drehung entgegen der schon vorhandenen Drehung wirkt. Dieselbe Wirkung (also ein Anlauf von S//) läßt sich aber nicht nur durch das Zurückstellen der Bürsten an Ph/ gegen die Drehfeldrichtung, sondern auch durch ein Verstellen der Bürsten von Ph// in der Drehfeldrichtung (Richtung des Pfeiles an Ph//) bewirken. Durch dieses Vorwärtsdrehen der Bürsten von Ph/ wird nämlich ein Zurückdrehen des Polrades von 5/ (gegen die Richtung des Pfeiles an 5/) und dadurch wiederum ein Vorwärtsdrehen des Feldes in Ph/ (in Richtung des Pfeiles an Ph/) bewirkt. Es ist nun aber für den Anlauf von 5// gänzlich gleichgültig, ob die Bürsten von Ph/ gegenüber dem Feld zurückgedreht oder ob das Feld gegenüber den Bürsten vorgedreht wird. Eine Verdrehung der Bürsten von Ph// in Richtung des Drehfeldes ist also einer Verdrehung der Bürsten von Ph/ gegen das Drehfeld¹ gleichwertig und umgekehrt. Durch die Stellung dieser Bürsten wird also der Verschiebungswinkel zwischen dem Ständerfluß und dem Polfeld φ in S// bestimmt. Hierbei ist noch zu berücksichtigen, daß dies nur dann genau stimmt, wenn die Lage des Polrades in S/ nur von der jeweiligen Lage des Drehfeldes abhängt. Tatsächlich ist aber nach dem Diagramm des Synchronmotors zwischen der angelegten Klemmenspannung und der inneren EMK Ei„a

(s. Abb. 6) ein von der Last abhängiger Winkel ψ vorhanden. Dieser Winkel, der übrigens sehr klein ist, da die Last von 5/ ganz gering ist, ist bei der ganz genauen Einstellung der Bürsten von Ph/ und Ph// zu berücksichtigen.

Das Aggregat besitzt deswegen besondere Bedeutung, weil es mit seiner Hilfe, also mit Hilfe bereits allgemein bekannter elektrischer Maschinen, wie Periodenumformer und Synchronmotoren möglich wird, einen Synchronmotor, und zwar in dem beschriebenen Falle den Synchronmotor 5// außerhalb des Netzsynchronismus mit synchroner Charakteristik selbsttätig anzulassen und zu betreiben. Der Läufer von 5// läuft nämlich mit dem seinem Ständer zugeführten sich beschleunigendem. Drehfeld synchron um, wobei die Phasenverschiebung zwischen der angelegten Spannung Eu und dem Polfeld der Bürstenverstellung entsprechend konstant ist. Im Diagramm des Synchronmotors 5// ist also der Winkel γ und mithin auch ψ = γ — 90⁰ des Synchronmotordiagramms (Abb. 6) konstant. Da beim Anlauf Ε-_ιηΛ = ο ist, so muß zwischen die Bürsten von Ph/ und 5// ein Anlaßwiderstand geschaltet werden, der allmählich ausgeschaltet wird. Da das Drehmoment vom geometrischen Produkt von; I und φ abhängt und I (da Gleichstrom) mit Eu in Phase ist, so hängt das Anlaßmoment von der Größe des Anlaßwiderstandes und von dem Winkel γ ab. Es kann beliebig groß eingestellt werden. Nimmt nun die Drehzahl von S// zu, so nimmt Et_nd zu, so daß der Anlaßwiderstand' ausgeschaltet werden kann. Es nimmt aber mit steigender Frequenz auch der Scheinwiderstand des Ständerkreises zu, und derselben Entfernung AB im Diagramm (s. Abb. 6) entspricht ein immer kleiner werdender Strom, mithin ein kleiner werdendes Drehmoment. Der Synchronmotor 5// in Verbindung mit dem Aggregat besitzt also Seriencharakteristik; die Geschwindigkeit des Satzes II hängt also von seiner Belastung ab, wobei sich aber durch die Verstellung der Bürsten eine Regelmöglichkeit der Stromaufnahme und des Drehmomentes ergibt. Durch die Geschwindigkeit des Satzes II bestimmt sich aber nach der Gleichung η/ -J- ti// = ils selbsttätig die Geschwindigkeit des Satzes I. Die Geschwindigkeiten der beiden Sätze des Aggregates bestimmen sich also durch die Bürstenstellung und durch die Last des Satzes II. Im Betrieb kann natürlich S// ein beliebiger Synchronmotor sein, der von dem Satz I vollkommen getrennt aufgestellt ist. Kuppelt man ihn mit einem Periodenumformer kleiner Leistung, so besteht die Möglichkeit, ihn mit Hilfe des Hilfssatzes I in der beschriebenen Weise zu betreiben. Noch wichtiger ist aber die Verwendung des Aggregates zum Anlassen von Synchronmotoren. Hierbei kann 5// ein beliebiger anzulassender Synchronmotor sein, der auf die beschriebene Weise (durch Bürstenverstellung und Einschalten des Schalters 4 und mit Hilfe eines Anlaß Widerstandes) angelassen wird. Kommt der Satz II, also der anzulassende Synchronmotor S// nun in Netzsynchronismus, so bleibt der Satz I stehen. Diesen Zustand kann man aber auch erzwingen, indem man in der Nähe des Synchronismus, wo sich der Satz I nur langsam bewegt, den Schalter 1 oder 2 öffnet und den Satz I stillsetzt. In diesem Fall muß 5// mit netzsynchroner Geschwindigkeit rotieren. Ver-. dreht man nun noch außerdem die Welle

des Satzes I so, daß die Spannungssysteme an den Bürsten und Schleifringen von PA/ in Phase sind, so rotiert S// genau so, wie wenn sein Ständer unmittelbar auf das Netz geschaltet wäre. Es kann dann S// unmittelbar auf das Netz umgeschaltet werden, womit das Anlassen beendet ist und der Satz I zum Anlassen einer anderen Synchronmaschine Anwendung finden kann. Diese Anlaßmethode

ίο hat den Nachteil, daß der anzulassende Synchronmotor erst immer mit dem Periodenumformer Phu gekuppelt werden muß. Dieser Nachteil läßt sich einfach dadurch vermeiden, daß man den anzulassenden Motor parallel zu S// an die Kommutatorbürsten von Phi legt. In diesem Falle dient das Aggregat nicht zur Arbeitsleistung, sondern wirkt lediglich als Anlaßaggregat für beliebige im Betrieb vorhandene Synchronmotoren. Die Maschine 5// muß dann nur für die Leistung ausgebildet werden, die nötig ist, die Reibungsverluste des Satzes II zu überwinden. Der Satz I wird, wie beschrieben, asynchron angelassen, S/ sodann synchronisiert, die Bürsten eingestellt und S// sowie der anzulassende Synchronmotor an die Bürsten von Phi gelegt. Durch die Einstellung der Bürsten ergibt sich die Möglichkeit, das Drehmoment, mithin auch die Beschleunigung des Satzes II, d.h. die Beschleunigung des Drehfeldes in S// und in dem anzulassenden Synchronmotor einzustellen. Ist diese Beschleunigung nicht zu hoch gewählt, so läuft der anzulassende Synchronmotor mit 5// zusammen hoch. In der Nähe des Synchronismus, die sich durch den ganz langsamen Lauf von S/ kennzeichnet, kann dann Schalter 1 oder 2 geöffnet, Satz I zum Stillstand gebracht und in die richtige Lage gedreht und sodann der angelassene und durch das Stillsetzen des Satzes I zwangsweise auf netzsynchrone Drehzahl gebrachte Synchronmotor unmittelbar auf das Netz geschaltet werden. Damit ist der Anlaßvorgang beendet.

Am Ende des Anlaßvorganges, der auf dieselbe Weise natürlich auch zum Anlassen von Asynchronmotoren verwendbar ist, steht der Satz I still, während Su synchron rotiert. Um nun wieder zur Anfangslage zurückkehren zu können, muß man den beiden Sätzen eine zusätzliche Drehung erteilen, die der vorhergehenden zusätzlichen Drehung, die während des Anlaufvorganges des zu S// parallel geschalteten Motors ausgeführt wurde, entgegengesetzt ist. Es müssen daher die Bürsten wieder verstellt werden, und zwar müssen die Bürsten von Phi in Richtung des Drehfeldes bzw. die Bürsten von Phu entgegen der Richtung des Drehfeldes aus ihrer neutralen Lage verdreht werden. Schaltet man dann den Schalter ι bzw. 2 ein, so wiederholt sich der Vorgang in entgegengesetzter Richtung so lange, bis nun I wieder synchron rotiert und II zum Stillstand gebracht worden ist. Dann ist das Aggregat zum Anlassen eines anderen Motors wieder gebrauchsfertig. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, mit Hufe des Aggregates eine beliebige Zahl von Synchronmotoren anzulassen. Hierbei ist auch ein Anlassen unter Last möglich, und da im Augenblick des Anlaufes in dem Ständer des Synchronmotors Gleichstrom fließt, so braucht aus dem Netz an Blindstrom nur der Magnetisierungsstrom des Periodenumformers PA/ entnommen werden, so daß der Leistungsfaktor beim Anlaufvorgang ein sehr günstiger ist. Die Synchronmotoren S/ und Su und der Periodenumformer Phu müssen bei dieser Anlaßmethode (anzulassender Motor parallel zu S//) nur für sehr kleine Leistungen bemessen werden; lediglich PA/ muß die volle Anlaßleistung bewältigen können. Diese Anlaßleistung läßt sich aber bei im Anlauf unbelasteten Motoren dadurch verringern, daß man die Beschleunigung von S//, also auch die Beschleunigung des Drehfeldes, im anzulassenden Motor durch geeignete Bürsteneiiistellung klein macht.

Die Tatsache, daß der Motor 5// unabhängig von der Netzfrequenz immer einen Strom zugeführt bekommt, dessen Frequenz seiner eigenen Drehzahl entspricht, ergibt die Möglichkeit, das Aggregat als Hintermaschine einer Kaskade zur Zurückgewinnung der Schlupfleistung von Asynchronmotoren zuverwenden, indem man den Satz II mit dem Asynchrojimotor kuppelt ' und die Schleifringe von Ph/ und Phu mit den Schleifringen des Asynchronmotors verbindet. Der Strom zum Betrieb des Aggregates wird also' nicht mehr dem Netz, sondern dem Rotor einer mit S// gekuppelten Asynchronvordermaschine entnommen. S// wird hierbei zur Arbeitsleistung als Hintermaschine ausgebildet, während der Satz I als Hilfssatz dient und S/ lediglich die Leistung aufnimmt, die zur Überwindung der Reibungsverluste des Hilfssatzes I nötig ist. Der Ständer von 5// muß, da sein Läufer mit dem Asynchronvordermotor gekuppelt ist, immer einen Strom no aufnehmen, dessen Frequenz der eigenen Drehzahl entspricht, und seine Stromaufnahme kann durch die Bürstenverstellung an PA/ bzw. PA// 'eingestellt werden. Da dem Ständer von Su der Rotorstrom des Asynchronmotors zugeführt wird und die Stromaufnahme von S/ sehr klein ist, so kann durch Bürstenverschiebung an PA/ bzw. PA//, also durch Regulierung der Stromaufnahme von S// auch der Rotorstrom des Asynchronvordermotors, mithin in bekannter Weise die Stromaufnahme des Ständers des Asynchronvordermotors und

Claims (6)

auch das Drehmoment desselben reguliert werden. L-VfENTANSPRUCHE : 5

1. Aus zwei über Schleifringe erregten Periodenumformern und zwei von diesen gespeisten dreiphasigen Synchronmotoren bestehendes Maschinenaggregat, bei dem je ein Synchronmotor und ein Periodenumformer zu einem Maschinensatz mechanisch gekuppelt sind und bei dem einer dieser beiden Maschinensätze eine Arbeitsmaschine antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Synchronmotoren mit gleicher Phasenfolge an den Kommutatorbürsten des Periodenumformers des anderen Maschinensatzes liegt und daß die Schleifringe der beiden Periodenumformer so am Netz liegen, daß ihre Drehfelder den entgegengesetzten Umlaufsinn besitzen.

2. Verfahren zum Anlassen und zur Regelung der Drehzahl und des Drehmomentes des Maschinenaggregats nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Verschiebung der Kommutatorbürsten des nicht mit der Arbeitsmaschine gekuppelten Periodenumformers.

3. Einrichtung zum Anlassen von Synchron- und Asynchronmotoren mit Hilfe eines Maschinenaggregats nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der anzulassende Motor parallel zu dem mit der Last gekuppelten Synchronmotor (Abb. 1) oder an dessen Stelle eingeschaltet ist.

4. Verfahren zum Anlassen von Synchron- und Asynchronmotoren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch allmähliches Festbremsen des nicht zu dem anzulassenden Motor parallel geschalteten oder mit ihm gekuppelten Maschinensatzes.

5. Verfahren zum Synchronisieren von Synchronmotoren nach Anspruch 4 aufs Netz, gekennzeichnet durch Verdrehen der Welle des nicht zu dem anzulassenden Motor parallel geschalteten oder mit ihm gekuppelten Maschinensatzes.

6. Einrichtung zur Rückgewinnung der Schlupfleistung von Asynchronmotoren mit Hilfe eines Maschinenaggregats nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Asynchronmotor mit einem der beiden Maschinensätze mechanisch gekuppelt ist und daß die Schleifringe der beiden Periodenumformer mit den Läuferschleifringen des Asynchronmotors verbunden sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen