DE604546C - Einrichtung zur Vermeidung von Buerstenfeuer und Aussertrittfallen bei synchronen Wechselstromgleichstromumformern mit Kommutator - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
24. OKTOBER 1934

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

JVl: 604546 KLASSE 21 d² GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 19. Dezember 1930 ab

In synchron laufenden elektrischenMaschinen, in denen eine Umformung von elektrischer Energie wieder in elektrische Energie erfolgt, wie beispielsweise in synchronen Wechselstrom-Gleichstrom-Motorgeneratoren, Kaskadenumformern und Einanderumformern, wird bei Belastungsstößen eine Pendelung des mechanisch umlaufenden Teiles eintreten, die gewissermaßen eine Schwingung um die synchrone Drehzahl der Maschine als Mittellage darstellt. Bei allen drei genannten Typen birgt diese Pendelung die Gefahr des Außertrittfallens in sich; bei den letzteren beiden kommen noch Stromwendungsschwierigkeiten hinzu. Ein kurzzeitiger unter- und übersynchroner Lauf, der in der positiven bzw. negativen Schlüpfung einer derartigen Maschine vorliegt, hat bei den Kommutatormaschinen der Kaskaden- und Einankerumformer eine Verschiebung der neutralen Zone zur Folge, indem die neutrale Zone beim Pendeln des Rotors gleichfalls pendelt, und zwar um so mehr, je größer bei sonst gleichen Verhältnissen dessen Pendelausschläge sind. Zwischen den von den Bürsten überbrückten kommutierenden Lamellen des Kommutators werden infolge der Verschiebung der neutralen Zone ganz beträchtliche Spannungen auftreten, die in den meisten Fällen dazu ausreichen, einen Lichtbogen zu ziehen und so einen Überschlag, Rundfeuer u. dgl. auszulösen.

Gemäß der Erfindung lassen sich die genannten Übelstände weitgehend dadurch unterdrücken, daß eine zwangsläufige Phasenverschiebung des Statorfeldes bewirkt wird. Diese Verschiebung· hat hierbei im Sinne einer Voreilung des Statorfeldes relativ zum Rotorfeld zu erfolgen, nur bei Einankerumformern im Sinne einer Nacheilung.

Die Wirkimg einer derartigen Phasenverschiebung erklärt sich daraus, daß — um zunächst eine solche Maschine zu betrachten, bei der ein Teil der Energie mechanisch übertragen wird — infolge des mechanisch aufzubringenden Drehmoments eine bestimmte Winkellage zwischen dem Rotorfeld und dem Statorfeld besteht, indem das Rotorfeld um einen entsprechenden Winkel nacheilt.

Bei einem Belastungsstoß muß nun ein größeres Drehmoment übertragen werden, so daß der Winkel zwischen Rotor- und Statorfeld einen entsprechend größeren Wert annehmen muß. Demzufolge wird zunächst eine Verringerung der Rotorgeschwindigkeit eintreten, die sich aber gleichzeitig als Verringerung der kinetischen Energie des Rotors auswirkt, wobei der frei werdende Energiebetrag als Überschuß an elektrischer Energie erscheint. Wenn hierauf das Feld des Rotors infolge dieser Geschwindigkeitsabnahme die dem erhöhten Drehmoment entsprechende Winkellage gegenüber dem Stator-

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Kurt Schönfelder in Berlin-Charlottenburg.

feld erreicht, so wäre an und für sich ein magnetisches wie mechanisches Gleichgewicht vorhanden, wenn nicht der Rotor nunmehr infolge der Drehzahlerniedrigung zu langsam laufen würde und daher erst wieder auf die Synchrondrehzahl beschleunigt werden müßte. Für eine derartige Beschleunigung steht jedoch bei der bestehenden Winkelabweichung kein genügendes Drehmoment zur Verfügung. Daher müßte also ίο die Winkelabweichung zur Leistung der Beschleunigungsarbeit noch wachsen, wodurch die vorerwähnte Pendelung des Rotors um die Gleichgewichtslage eintritt, die je nach der vorliegenden Dämpfung schneller oder langsamer abklingt, wenn nicht der Umformer bereits vorher wegen zu großer Winkelabweichung außer Tritt gefallen ist oder infolge eingetretenen Überschlages abgeschaltet wurde. Falls jedoch gleichzeitig mit dem Lastanstieg künstlich eine zusätzliche relative Winkelvoreiiung des Statorfeldes erzwungen wird, so steht ein der Mehrleistung entsprechendes Drehmoment für den Antrieb des Gleichstromteils zur Verfügung, so daß das Pendeln gar nicht erst einzutreten braucht und der Rotor synchron weiterläuft.

Selbst wenn diese erzwungene Relativverschiebung der Felder nur vorübergehend aufrechterhalten wird bzw. langsam wieder verschwindet, hat sie große Vorteile. Sie muß nur langsam genug verschwinden, damit der Rotor Zeit findet, unter der Wirkung des synchronisierenden Moments langsam in die neue Gleichgewichtslage hineinzugleiten. Auf diese Weise können Pendelungen vollständig vermieden bzw. auf einen unschädlichen Betrag herabgedrückt werden, solange das durch die Überlastung geforderte Drehmoment von der Maschine überhaupt aufgebracht werden kann. Dies wird jedoch lediglich bei mehr oder weniger starken Belastungsstößen der Fall sein, während bei einem ausgesprochenen Kurzschluß das Drehmoment auf keinen Fall ausreicht.

Um aber auch in diesem Falle das Entstehen von Bürstenfeuer bzw. das Außertrittfallen nach Möglichkeit zu vermeiden oder wenigstens bis zur Abschaltung des Kurzschlusses durch die Überstromautomaten hinauszuzögern, wird nach der Erfindung der Umformer weiterhin mit einem Schwungrad ausgerüstet.

Auf diese Weise wird durch das Schwungmoment des Schwungrades das unvermeidliche Absinken der Drehgeschwindigkeit verlangsamt, so daß die Schlupfgeschwindigkeit und damit der Drehwinkel der neutralen Zone gegenüber der Lage der Bürsten genügend klein bleiben und somit z. B. kein unzulässiges Bürstenfeuer entsteht.

Ein derartiges Schwungrad ist aber weiter auch bei Belastungsstößen jeder Art von , großem Vorteil, da es einen wesentlichen Betrag der Stoßleistung übernimmt und z. B. besonders bei kurzzeitigen Stoßen die Ausbildung großer Pendelungsschläge unmöglich macht.

Bei dem Sonderfall des Einankerumformers liegt im wesentlichen ein Kaskadenumformer vor, bei dem die Polzahl des Drehstromteiles gegenüber der des Gleichstromteils gewissermaßen unendlich verkleinert ist. Dement- 7" sprechend liegt bei einem Arbeiten mit gleichbleibender Belastung überhaupt keine mechanische Leistungsübertragung vor, während bei einer plötzlichen Belastungssteigerung im ersten Augenblick der ganze Überbedarf aus dem kinetischen Energieinhalt gedeckt werden muß. Demnach ergibt sich, daß die künstlich erzeugte Phasenverschiebung im umgekehrten Sinne erfolgen muß,

Die folgenden Ausführungen zeigen einige Wege, wie die gemäß der Erfindung zu schaffende künstliche Feldverdrehung erreicht wird.

Beim Kaskadenumformer z. B. wird nach Fig. ι parallel zur Kompoundwicklung eine induktive Brücke geschaltet. Der Strom, der sich bei konstant bleibender Belastung auf "beide Stromzweige nach dem Ohmschen Gesetz verteilt, muß bei plötzlichen Laständerungen, z. B. beim Lastanstieg, wesentlich durch die Kompoundwicklung gehen, da die Drossel schnellen Änderungen einen großen Widerstand entgegensetzt. Also wird im Stoß vorübergehend übererregt, was bekanntlich Vorschiebung der Phase auf der Drehstromseite und damit die gewünschte Feldvorwärtsdrehung zur Folge hat.

Ist beim Kaskadenumformer die Kompoundwicklung als Gegenkompoundwicklung geschal-, tet, so kommt hierfür eine Anordnung nach Fig. 2 in Frage.

In dieser ist eine Schaltung gezeigt, bei der mit der Gegenkompoundwicklung ein induktiver Widerstand in Reihe liegt. Zu diesen beiden gemeinsam ist aber noch ein Ohmscher Widerstand parallel geschaltet. Wenn also- eine plötzliche Stromänderung eintritt, so wird durch den induktiven Teil des Widerstandes ein gleichzeitiger Anstieg der Stromkomponente, die über die Gegenkompoundwicklung fließt, verhindert, indem ein größerer Stromteil über den Ohmschen Parallelwiderstand fließt. Auf diese Weise tritt also die erforderliche Verdrehung des Feldes ein.

Die Gegenkompoundschaltung ist besonders geeignet, wenn die Kompoundwicklung bereits eine hohe Induktivität besitzt.

Umformer, die aus irgendwelchen Gründen eine das Hauptfeld unterstützende Kompoundwicklung erhalten müssen, werden weiterhin nach der Erfindung mit einer zweiten, in Gegenschaltung ausgeführten Kompöundwicklung versehen, die nach den vorstehenden Regeln erregt wird.

Um ferner die Wirkung der besprochenen Maßnahmen möglichst von der magnetischen Trägheit des Hauptfeldes unabhängig zu machen, ist es vorteilhaft, die Kompoundwicklung mogliehst dicht an die Ankeroberfläche zu legen bzw. nach Art der Kompensationswicklung in Nuten der Polschuhe unterzubringen.

Soweit es sich nur um vorübergehende Erregung handelt, können die Wicklungen natürlieh auch z. B. induktiv an den Hauptstrom angeschlossen sein, also ohne mit den Leitungen des Hauptstromes in leitender Verbindung zu stehen.

Eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung besteht darin, daß man z. B. beim Kaskadenumformer die Wicklung des Drehstromrotors aus zwei geometrisch verschobenen Wicklungen verschiedenen Scheinwiderstandes ausführt, was durch geeignete Lagerung der Wicklung in den Nuten ohne weiteres erreichbar ist. Werden dann diese beiden Wicklungen an die Wicklung des Gleichstromläufers angeschlossen, so entsteht, wie leicht einzusehen ist, dieselbe Wirkung in bezug auf die relative Felderverdrehung. Im Gegensatz zu vorher wird hier lediglich der Hauptteil der Relativverdrehung durch Drehung = des Rotorfeldes erzeugt. Für die prinzipielle Forderung des Relativdrehwinkels ist das natürlieh gleichgültig, da die Lage der neutralen Zone hierdurch nicht beeinflußt wird.

Beim Einankerumformer erfolgen die Schaltungen sinngemäß nach der oben angegebenen Regel.

Beim synchronen Wechselstrom-Gleichstrom-Motorgenerator, bei welchem die Läufer nicht elektrisch miteinander verbunden sind wie bei den eben behandelten Umformertypen, geschieht die Verwirklichung des Erfindungsgedankens ebenfalls in leicht verständlicher Weise durch Aufbringen einer Kompoundwicklung auf das Feldsystem des Synchronmotors, welches aber in diesem Falle vom Hauptstrom der Gleichstromseite nach vorstehenden Gesichtspunkten erregt wird.

Die zahlenmäßigen Einflüsse sind zwecks geeigneter Bemessung nach bekannten Berechnungsverfahren zu verfolgen.

Selbstverständlich lassen sich Wirkungen der besprochenen Art zum Teil auch durch Einschalten von Drosseln in die Anschlußleitungen der Umformer ans Drehstromnetz erzielen bzw. durch geeignete Betriebsführung, z. B. passende Erregung von Phasenschiebern.

Diese Maßnahmen sind aber in sehr vielen Fällen bereits aus anderen Gründen in Anwendung und hierbei in ihrer Einstellung von zahlreichen anderen Forderungen abhängig, wodurch eine Einstellung für eine auch nur einigermaßen wirksame Störungsverhütung meist ausgeschlossen ist.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Vermeidung von Bürstenfeuer und Außertrittfallen bei synchronen Wechselstromgleichstromumformern mit Kommutator, dadurch gekennzeichnet, daß bei Belastungsstößen vorübergehend eine künstliche Phasenverschiebung zwischen Rotor- und Statorfeld erzeugt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 bei Umformern mit Kompoundwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß zur relativen Verschiebung der Felder zur Kompoundwicklung Scheinwiderstände parallel und gegebenenfalls ebensolche auch noch in Reihe geschaltet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzielung der Verdrehung angewendete Kompound- bzw. Gegenkompoundwicklung zwecks verbesserter Wirkung möglichst nahe an die Ankeroberfläche herangerückt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß außer der sonst vorhandenen noch eine weitere Kompoundwicklung zum Zweck der Feldverschiebung vorgesehen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebungswicklung nicht in leitender, sondern nur in induktiver Verbindung mit dem Belastungsstrom steht. ......

6. Einrichtung nach Anspruch 1 für Wechselstrom-Gleichstrom-Motorgeneratoren, dadurch gekennzeichnet, daß das Feldsystem des Synchronmotors zwecks Feldverschiebung mit einer Kompoundwicklung versehen ist, die vom Belastungsstrom der Gleichstromseite erregt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstromwicklung aus zwei Zweigen verschiedenen Scheinwiderstandes besteht, die derart geschaltet sind, daß bei Belastungsstößen eine Relatiwerdrehung der Drehfelder entsteht.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungmoment des Umformersatzes durch ein Schwungrad vergrößert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen