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Anordnung zur Kompensierung der in Starkstromnetzen auftretenden Oberwellen
Bekanntlich wenden mitunter durch .die Maschinen oder Apparate eines Wechselstrom-Starkstromnetzes
außer der geforderten Wechselstromfrequcnz noch unerwünschte Ströme oder Spannungen
mit Oberwellenfrequenz erzeugt.
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Es ist bekannt, daß mit Eisensättigung arbeitende Transformatoren
einen mit Oberwellen behafteten Magnetisierungsstrom aufnehmen. Ebenso weist der.
Koronastrom von Hochspannungsleitungen Oberwellen auf. Ferner stellen die in einem
Starkstromnetz vorhandenen Gleichrichter bzw. Stromrichter eine weitere Quelle für
die Erzeugung von Oberwellenströmen oder -spannungen dar.
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Utn derartige Oberwellenströme oder -spannungen im Netz zu unterdrücken,
ist es bekannt, in .das Netz eine Synchronmaschine einzuschalten, die mit der Grundfrequenz
des Wechselstromnetzes umläuft und deren Erregerfeld zusätzliche Einrichtungen zur
Erzeugung von Oberwellenspannungen oder -strömen beliebiger Phasenlage- und Form
aufweist, so daß die Synchronmaschine derartige Oberwellen dem Starkstromnetz zuführt,
die dann zur Kompensierung der Wirkung vorhandener Oberwellen dienen. Bei dieser
bekannten Einrichtung sind die Pole der Synchronmaschine derart ausgebildet, daß
sie außer der Gegenspannung mit Grundfrequenz noch ausgeprägte Oberwellen der in
Frage kommenden höheren Frequenz erzeugt.
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Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine solche Anordnung zur
Kotnpensierung der in Starkstromnetzen auftretenden Oberwellen mit Hilfe einer mit
Grundfrequenz umlaufenden Synchronmaschine, deren Erregerfeld zusätzliche Einrichtungen
zur Erzeugung der Oberwellen aufweist. Erfindungsgemäß besteht die induzierte Wicklung
der Synchronmaschine aus zwei Wicklungen,
von denen .die eine im
wesentlichen eine sinusförm.ige Spannung der Grundfrequenz erzeugt, während in der
zweiten Wicklung außer einer Spannung der Grundfrequenz auch noch die Oberwellenspannungen
erzeugt werden. Eine derartige Anordnung bringt wesentliche Vorteile mit sich.
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Die induzierte Wicklung der Synchropmaschine ist bei normaler Ausführung
als verteilte Wicklung ausgebildet, d. !h. also; die Windungen einer Phase der induzierten
Wicklung sind nicht in einer Nut unter ge-' bracht, sondern in mehreren, einen gewissen
Teil des Ankerumfanges bedeckenden, unmittelbar benachbarten Nuten. Dies Trat aber
bekanntlich zur Folge, daß die resultierende, von den Windungen dieser benachbarten
Nuten gelieferte Spannung in ihrer Kurvenform nicht mehr der Kurvenform des induzierenden
Feldes entspricht, da infolge der räumlichen Versetzung der einzelnen Nuten in der
resultierenden Spannung die Oberwellen weitgehend aufgehoben werden, so daß im wesentlichen
nur noch die Grundfrequenz in der Spannungskurve zum Ausdruck kommt. Dieser Nachteil
ist nun bei der Erfindung dadurch vermieden, daß die Synchronmaschine mit zwei Wicklungen
ausgerüstet ist. Die eine dieser Wicklungen ist als normale, verteilte Wicklung
ausgeführt und liefert die Spannung der Grundfrequenz. Die zweite Wicklung hingegen
ist als konzentrierte Wicklung ausgeführt, d. h. sie ist je Phase nicht in mehreren
benachbarten Nuten untergebracht, sondern beispielsweise nur in einer einzigen Nut.
In dieser zweiten Wicklung wird daher eine Spannung induziert werden, die in ihrer
Kurvenform genau der Kurvenform des Erregerfeldes entspricht, also auch die gewünschten
Oberwellen in der Spannungskurve enthält. Da .man die Windungszahl der verteilten
Wicklung und der konzentrierten Wicklung im allgemeinen nicht derart wählen kann,
daß die in diesen beiden Wicklungen induzierten Spannungen der Grundwellenfrequenz
gleiche Größe auf-,veisen (die Spannung in der konzentrierten Wicklung wird im allgemeinen
geringer sein), so kann man diesem Umstand durch entsprechenden Anschluß der konzentrierten
Wicklung an die Wicklung eines der Synchronmaschine vorgeschalteten Transformators
Rechnung tragen. Man wird also die konzentrierte Wicklung an eine Anzapfung der
Transformatorwicklung anseh.ließen. Iin übrigen ist es zweckmäßig, am Transforniator
eine besondere Wicklung oder Anzapfung für den Anschltiß .der Oberwellensynchronmaschine
vorzusehen, um die Oberwellensytichronniaschine für die günstigsten Spannungen auslegen
zii können. Die zur Kompensation der Oberwellen dienende Synchronmaschine kann z.
B. zu einem infolge Eisensättigung Oberwellen hervorrufenden Transformator parallel
geschaltet sein. In diesem Falle werden die vom Transformator gelieferten Oberwellenströme
statt in das Netz in die Synchronmaschine geleitet. Man könnte aber auch die Synchronmaschine
in Reihe in dasr Netz einschalten, wobei dann die Oberwellenspannungen den im Netz
vorhandenen Oberwellenspannungen entgegenwirken.
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Es ist zweckmäßig, die Oberwellensynchronmaschinebezüglich der Erzeugung
der Oberwellenströme regelbar auszubilden, uni die Synchronmaschine einer jeweils
gewünschten Kompensieru,mg der Oberwellehströme möglichst anpassen zu können. Diese
Regelung der Oberwellenströme läßt sich beispielsweise durch eine Änderung des Stromes
in der auf die Ober`vellenerzeugung einwirkenden Erregerwicklung herbeiführen. Ferner
kann man die Maschine bezüglich der O'berwellenerzeugung auch durch Änderung der
später geschilderten Anzapfungen der Erregerwicklung herbeifühj7en. Gegebenenfalls
-kann man zu diesem Zweck mehrere Schleifringe vorsehen. Eine dritte Möglichkeit
@estelit darin, daß man die induzierte Wicklung der Synchronmaschine mit Anzapfungen
versieht und an diesen Anzapfungen Änderungen vornimmt.
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Im einzelnen ist zu der Ausführung der Erfindung zu sagen, daß der
Erregerteil der Oberwellensynchronmaschine ein Hauptfeld bekommt, welches sinusförinig
über den Luftspalt verteilt ist. Dieses Hauptfeld -erzeugt in der Wicklung des induzierten
Teiles eine siniisförmige Spannung der Netzfrequenz, die der aufgedrückten Netzspannung
L' das Gleichgewicht hält und das Drehmoment zur Deckung der Verluste liefert. Will
man nun erreichen, daß die Synchronmaschine einen Strom gewünschter Form und Größe
abgibt, so muß man der induzierten Spannung eine Spannung überlagern, die dein Spannungsabfall
dieses Stromes an der Eigeninduktivität der Maschine entspricht. Für die grundsätzliche
Betrachtung wird der Wattstrom und der Ohinsche Widerstand vernachlässigt.
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Die Zeichnung zeigt die induzierte Spannung E, die .der Grundfrequenz
entspricht. Ferner ist ein dieser Spannung nacheilender Zusatzstrom J, gezeichnet
von der Form des Transformatormagnetisierungsstronies. Differenziert man diese Stromkurve,
so erhält nian den Spannungsverlauf e,. Addiert man diese zusätzliche Spannung e,
zur induzierten Spannung E" so erhält man einen Spannungsverlauf E = Fe -1- e,.
Soll
nun die Synchronmaschine zur Kompensierung des Oberwellen enthaltenden
Stromes J, geeignet sein, dann muß sie -eine Spannung von der Kurvenform E, +. e,
erzeugen. Um in einer Spule der Ankerwicklung einer Synchronmaschine diese Spannung
`zu induzieren, muß die Feldverteilung im Luftspalt dieselbe Form wie die Kurve
E, -E- e, haben. Zu diesem Zweck besitzt die Synchronmaschine außer dem Haupterregerfeld,
das im wesentlichen die sinusförmige Spannung E" liefert,, noch ein Zusatzerregerfeld
für die Erzeugung der Oberwellenspannung eZ. In der Zeichnung ist dies durch die
dargestellte Verteilung der Amperewindungen des Haupterregerfeldes H und des Zusatzerregerfeldes
Z angedeutet. Es wurde angenommen, daß 2¢ Doppelnuten zur Aufnahme der Erregerwicklungen
vorhanden sind. Für den Fall der Komp-ensierung von Magnetisierungsströmen sind
6 Nuten unbewickelt und q. Nuten halbbewickelt. Daher kann der Erregerteil .gut
ausgenutzt werden.
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Die für die Erzeugung bestimmter Oberwellenspannungen erforderliche
Verteilung des Erregerfeldes der Synchronmaschine läßt sich am günstigsten herstellen,
wenn man an der Erregerwicklung Anzapfungen anbringen kann, so daß die einzelnen
Teile der Erregerwindungen verschieden starke Ströme führen.
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Um dies zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, die ;nduzierte Wicklung
der Synchronmaschine in bekannter Weise auf dem Läufer der Maschine unterzubringen
und die Netzspannung über Schleifringe zuzuführen. Der äußere, ruhende Teil der
Synchronmaschine erhält dann .die Erregerwicklung. In diesem Falle bereitet es keine
Schwierigkeiten, die Erregerwicklung mit beliebig vielen Anzapfungen zu versehen
und diese auch zu einem Klemmbrett herauszuführen, um eine beliebig feine Regelbark
eit zu erreichen.
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Die Synchronmaschine gemäß .der Erfindung kann gleichzeitig als Blindleistungsmaschine
für die Erzeugung von Blindströinen mit Grundfrequenz dienen. Es genügt dazu, d.aß
die Stärke des Erregerfeldes bezüglich der Grundfrequenz auf den entsprechenden
Betrag gebracht wird (Phasenschieber mit Zusatzeinrichtung). In diesem Falle ist
die Leistung der Synchronmaschine durch die Blindleistung für die Grunddrequenz
und durch die Oberwellenleistung gegeben. Man kann aber auch die Synchronmaschine
nur für die Lieferung von Oberwellenströmen auslegen. Das Erregerfeld für die Grundfrequenz
istdann so eingestellt, daß die Synchronmaschine für die betreffende Netzspannung
keinen Blindstrom aufnimmt oder abgibt. Die Leistung der Synch@ro:nmaschine fällt
dann selbstverständlich viel kleiner aus, da nur Oberwellenströme zu liefern sind.
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Es ist zweckmäßig, den erregenden Teil der Synchronmaschine nach der
Erfindung mit einer Dampfervorrichtung auszurüsten, um die Ankerrückwirkung der
Oberwellenströme auf das Erregerfeld möglichst zu unterdrücken. Eine solche in der
üblichem Weise ausgebildete. Dampfervorrichtung wirkt sich dann auch für die Erzeugung
vier gewünschten Oberwellenströme günstig aus.