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Anordnung zur Speisung von Stromkreisen niederer veränderlicher Frequenz
aus einer Stromquelle höherer konstanter Frequenz über Kommutatorfrequenzwandler
Bei der Speisung von Stromkreisen niederer veränderlicher Frequenz aus einer Stromquelle
höherer konstanter Frequenz über einen Kommutatorfrequenzwandler besteht bekanntlich
die Schwierigkeit, daß sich in dem niederfrequenten Stromkreis bei der Änderung
der Frequenz der induktive Widerstand dieses Stromkreises ändert, was nicht nur
eine Änderung der Größe des aufgenommenen Stromes zur Folge hat, sondern infolge
des konstant bleibenden Ohmschen Widerstandes auch noch eine besonders unerwünschte
Änderung der Phasenlage dieses Stromes. Derartige Stromkreise sind insbesondere
die Erregerstromkreise von ständererregten Kommuatorhintermaschinen, die in den
Zweitstromkreis von Asynchronmaschinen zwecks Regelung der Drehzahl dieser Maschinen
eingeschaltet sind. Die Erregerwicklung führt dann die veränderliche Schlupffrequenz
der asynchronen Vordermaschine. Da die Drehzahl der asynchronen Vordermaschine durch
die Regelung des aus einer Stromquelle konstanter Netzfrequenz von außen zugeführten
Erregerstromes an der Ständerwicklung der Kommutatorhintermaschine geregelt wird,
so erschwert die geschilderte Änderung der Phasenlage dieses Erregerstromes bei
Änderung der Schlupffrequenz namentlich in der Nähe des Synchronismus diese Regelung
in hohem Maße. Ähnliche Verhältnisse können sich auch an Drehstromkommutatormotoren
einstellen, die eine Schlupffrequenz führende Erregerwicklung aufweisen:
Um
diese Nachteile zu vermeiden, ist es bekannt, zwischen dem Kommutatorfrequenzwandler
und der Stromquelle konstanter Frequenz Scheinwiderstände derartiger Größe einzuschalten,
daß diese im Stromkreis veränderlicher Frequenz den Strom nach Größe und Phasenlage
vorschreiben. Fig. I der Zeichnung zeigt eine derartige Schaltung. Der Kommutatorfrequenzwandler
6 speist bei 7 den Stromkreis veränderlicher Frequenz, also beispielsweise die Schlupffrequenz
führende Erregerwicklung der Kommutatorhintermaschine eines Regelsatzes. Den Schleifringen
des Frequenzwandlers wird nun über den eine Drosselspule darstellenden Scheinwiderstand
2 der Strom aus der Stromquelle I konstanter Frequenz (Netzfrequenz) zugeführt.
Die Scheinleistung der Drosselspule beträgt ein Vielfaches der größten Erregerleistung,
die der Kommutatorfrequenzwandler abgibt. Infolgedessen schreibt die Drosselspule
2 den Strom bei 7 nach Größe und Phasenlage vor. Mit der Drosselspule in Reihe liegt
die Erstwicklung des Isolierumspanners 3, der als Stromwandler den nach Größe und
Phasenlage annähernd gleichbleibenden Drosselstrom den Regelumspannern für die Drehzahlregelung
4 und für die Phasenkompensierung 5 des Drehstromregelsatzes zuführt. Die Regelumspanner
sind als Doppeldrehregler ausgebildet. Bei ihrer Verdrehung wird also der abgegebene
Strom nur in der Größe, dagegen nicht in der Phasenlage geändert. Durch entsprechende
Schaltung der Erstwicklungen der beiden Doppeldrehregler oder durch Einstellen der
Kupplung zwischen diesen beiden Reglern ist dafür gesorgt, daß die von den beiden
Doppeldrehreglern abgegebenen Ströme um 9o° gegeneinander phasenverschoben sind,
was für die Aufgabe dieser beiden Erregerströme erforderlich ist. Da die Zweitwicklungen
der beiden Doppeldrehregler in Parallelschaltung den Frequenzwandler 6 speisen,
so wird dem Frequenzwandler die vektorielle Summe der von den beiden Doppeldrehreglern
abgegebenen Ströme zugeführt. Zur Deckung der verhältnismäßig großen Magnetisierungsleistung
der Doppeldrehregler ist ein Kondensator 8 erforderlich, der auch die Magnetisierungsleistung
des Frequenzwandlers 6 mitliefern kann. Um für den Kondensator eine brauchbare (höhere)
Spannung zu bekommen, ist ein weiterer Umspanner 9 zwischen Frequenzwandler und
Doppeldrehreglern einzufügen, oder der Frequenzwandler ist mit zwei Wicklungen im
Läufer zu versehen, wie es vom läufergespeisten Drehstromnebenschlußmotor her bekannt
ist.
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Die Schaltung nach Fig. I leistet allen Erfordernissen bei der Regelung
eines Regelsatzes in der Drehzahl und in der Phasenlage Genüge. Sie ist jedoch verhältnismäßig
teuer, da vier Drehregler und zwei Isolierumspanner erforderlich sind. Die Anordnung
nach der Erfindung bringt demgegenüber einen wesentlichen Fortschritt, da vor allem
die Doppeldrehregler fehlen. Es handelt sich dabei wiederum um die Speisung von
Stromkreisen niederer veränderlicher Frequenz aus einer Stromquelle höherer konstanter
Frequenz über zwischen den Kommutatorfrequenzwandlern und der Stromquelle konstanter
Frequenz eingeschaltete Scheinwiderstände entsprechender Größe. Erfindungsgemäß
sind zwei Kommutatorfrequenzwandler vorgesehen, deren Schleifringen der Strom des
Scheinwiderstandes zugeführt wird, während die im gegenläufigen Sinn verstellbaren
Bürstensätze der beiden Frequenzwandler in Parallelschaltung den Stromkreis veränderlicher
Frequenz speisen. Die Verstellung der Bürstensätze der beiden Frequenzwandler ersetzt
dabei in ihrer Wirkung einen Doppeldrehregler, da genau so wie beim Doppeldrehregler
bei der gegenläufigen Verdrehung der beiden Bürstensätze der von den Frequenzwandlern
abgegebene Summenstrom sich nur in der Größe, hingegen nicht in der Phasenlage ändert.
Diese Anordnung mit den beiden Frequenzwandlern ersetzt zunächst nur den einen der
beiden Doppeldrehregler der Fig. I, jedoch kann man, wie im folgenden noch geschildert
wird, durch besondere Ausbildung der beiden Frequenzwandler und besondere Verstellung
ihrer Bürsten auch den zweiten Doppeldrehregler der Fig. I ersetzen, sofern dieser
zweite Doppeldrehregler für die Phasenkompensierung des Drehstromregelsatzes einen
im wesentlichen konstant bleibenden Strom zu liefern hat. Fig. 2 der Zeichnung zeigt
ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei 7 ist wiederum der Stromkreis veränderlicher
Frequenz, also die Erregerwicklung einer ständererregten Kommutatorhintermaschine,
angeschlossen. Die beiden Frequenzwandler 6 speisen mit ihren Kommutatorbürsten
in Parallelschaltung diesen Stromkreis. Die Schleifringe der beiden Frequenzwandler
sind je an eine Zweitwicklung zweier Umspanner 3 angeschlossen. Die Erstwicklungen
dieser beiden Umspanner werden von dem Strom des Scheinwiderstandes 2 in Reihenschaltung
gespeist. Die beiden Bürstenträger Io der Kommutatorfrequenzwandler werden von der
Verstellwelle II aus mittels eines Handrades I2 oder durch einen Bürstenversteller
elektrischer oder hydraulischer Bauart im gegenläufigen Sinn verstellt, wie es von
läufergespeisten Drehstromnebenschlußmotoren her bekannt ist. Damit wird für die
Regelung der Größe des bei 7 abgegebenen Stromes dieselbe Wirkung erzielt wie durch
die gegenläufige Verstellung der beiden Teile eines Doppeldrehreglers. Gegenüber
der Schaltung nach Fig. I weist die Schaltung nach Fig. 2 nicht nur den Vorteil
des Wegfalles von Doppeldrehreglern auf. Auch die beiden Isolierumspanner 3 brauchen
nur je etwa die halbe Leistung der Isolierumspanner 3 oder 9 der Fig. I zu besitzen.
Wegen des Fortfalles der Magnetisierungsleistung der Doppeldrehregler kann auch
der Kondensator 8 der Fig. I in Fig. 2 wesentlich kleiner gehalten werden oder auch
ganz fortfallen, wenn man die Magnetisierungsleistung der Frequenzwandler genügend
klein hält. Auch der Absatzumspanner g der Fig. i wird dadurch entbehrlich. Der
Nachteil der Anordnung der Fig. 2, daß zwei Kommutatorfrequenzwandler erforderlich
sind, wird dadurch gemindert, daß diese nur je
für die halbe Leistung
bzw. den halben Strom zu bemessen sind.
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Die beiden Frequenzwandler sind zweckmäßig mit der Hauptmaschinenwelle
für die Erzeugung der Schlupffrequenz zu kuppeln. Damit die beiden Einheiten nicht
wesentlich länger werden als ein großer Frequenzwandler, kann man die beiden Anker
auf einer durchgehenden Welle vereinigen. Bei dieser Ausführung ergibt sich weiterhin
die Möglichkeit, die Schleifringwicklungen der Frequenzwandler ohne Vermehrung der
Schleifringe in Reihe zu schalten. Es ist nur nötig, die Anker der Frequenzwandler
mit getrennten Wicklungen für Schleifringe und Kommutator zu versehen und die beiden
Schleifringwicklungen durch längs der Welle geführte Leitungen zu verbinden. Eine
solche Schaltung zeigt Fig. 3, wobei Fig. 4 die Schaltung der Schleifringwicklungen
der beiden Frequenzwandler veranschaulicht. Man sieht, daß die Schleifringwicklungen
der Frequenzwandler 6 in Reihenschaltung und unter Zwischenschaltung eines Isolierumspanners
3 von dem Strom des Scheinwiderstandes 2 gespeist werden. Die Zweitwicklung des
Isolierumspanners ist dabei offengeschaltet, und die beiden mit den einzelnen Phasen
in Reihe geschalteten Schleifringwicklungen bilden gemäß Fig. 4 eine offene Schaltung
und sind mit den Anfängen dieser offenen Schaltung an den einen Schleifringsatz
I4 und mit den Enden an den zweiten Schleifringsatz I5 angeschlossen. Man könnte
die Schaltung nach Fig. 3 und 4 jedoch derart abändern, daß man die in eine Schleifringwicklung
der beiden Kommutatorfrequenzwandler an die Anfänge und die andere Schleifringwicklung
an die Enden der offenen Schaltung der Zweitwicklung des Umspanners 3 anschließt,
im übrigen jedoch an den voneinander getrennt bleibenden Schleifringwicklungen verkettete
Schaltungen, z. B. Stern- oder Dreieckschaltung, vorsieht. Auch dann sind die beiden
Schleifringwicklungen über die Zweitwicklung des Isolierumspanners 3 miteinander
in Reihe geschaltet. Bei dieser Anordnung ist eine unmittelbare Kupplung bzw. eine
durchgehende Welle für die beiden Kommutatorfrequenzwandler nicht erforderlich.
Die Anordnung nach Fig.3 und 4 kann man gemäß Fig. 5 und 6 noch vereinfachen. Hier
sind die Reihenschaltungen der einzelnen Phasen der beiden Schleifringwicklungen
einerseits zu einem Sternpunkt vereinigt, andererseits an einen Schleifringsatz
angeschlossen, dem der Strom des Scheinwiderstandes 2 über den Isolierumspanner
3 zugeführt wird. Es entfällt also ein Schleifringsatz. Natürlich müssen die beiden
Frequenzwandler auf einer gemeinsamen Welle sitzen, um die Verbindungen ihrer Schleifringwicklungen
zweckmäßig durchführen zu können. Die Anordnung nach Fig. 5 ergibt eine besonders
geringe Baulänge für die beiden Frequenzwandler. Die Schaltungen nach den Fig. 3
bis 6 haben noch den Vorteil, daß man ohne Hinzufügung eines weiteren Absatzumspanners
Kondensatoren zur Deckung des Magnetisierungsstromes der Frequenzwandler anschließen
kann, da die Spannung der Schleifringwicklungen genügend hoch gewählt werden kann,
um kleine Kondensatorabmessungen zu bekommen.
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Bei den bisher beschriebenen Anordnungen liefern während der Regelung
die beiden Kommutatorfrequenzwandler gleich große Ströme, die dann in vektorieller
Addition den Stromkreis 7 speisen. Dem Stromkreis 7 wird also ein Strom zugeführt,
der bei konstanter Phasenlage in der Größe zwischen einem positiven und einem negativen
Höchstwert regelbar ist. Für die Herstellung einer Phasenkompensierung an dem Drehstromregelsatz
ist es jedoch erforderlich, dem Stromkreis 7 auch noch einen zweiten Strom zuzuführen,
der gegenüber dem genannten um 9o° in der Phase verschoben ist und während der Regelung
annähernd konstante Größe beibehält. Man kann nun durch verhältnismäßig einfache
Abänderungen erreichen, daß die beiden Kommutatorfrequenzwandler der Anordnung nach
der Erfindung auch diese zweite Stromkomponente liefern. Es ist dazu erforderlich,
daß der Strom des Scheinwiderstandes 2 an den beiden mit Kommutator und Schleifringwicklung
ausgerüsteten Frequenzwandlern oder an den diesen Frequenzwandlern vorgeschalteten
Umspannern mit voneinander albweichendem Verhältnis übersetzt wird und daß die Einrichtungen
zur Verstellung der Bürstensätze an den beiden Frequenzwandlern derart miteinander
gekuppelt sind, daß bei der Verdrehung aus der Nullstellung der Bürstensatz des
Kommutatorfrequenzwandlers, an dessen Bürsten ein kleinerer Strom auftritt, um einen
größeren elektrischen Winkel verdreht wird als der Bürstensatz des Kommutatorfrequenzwandlers,
an dem der größere Bürstenstrom auftritt, wobei das Verhältnis dieser beiden Verdrehungswinkel
während der Verdrehung konstant bleibt. Man muß also bei der Anordnung nach Fig.
2 die beiden Isolierumspanner 3 mit verschiedenem Übersetzungsverhältnis ausrüsten,
während man bei den Anordnungen nach den Fig. 3 oder 5 das Übersetzungsverhältnis
zwischen Schleifringwicklung und Kommutatorwicklung an den beiden Frequenzwandlern
voneinander abweichend gestalten muß. Ferner müssen die Bürsten an den beiden Frequenzwandlern
ungleich schnell verstellt werden, was man dadurch erzielen kann, daß bei der Anordnung
nach Fig. 2 das Übersetzungsverhältnis der Zahnradübersetzung zwischen der gemeinsamen
Welle I2 und den die Bürsten verstellenden Zahnkränzen Io an den beiden Frequenzwandlern
verschieden ist.
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Es bezeichne ia den größten Wert des Erregerstromes, ib die (als gleichbleibend
angenommene) Phasenkomponente des Erregerstromes, a1, a2 die Verstellwinkel der
beiden Bürstensätze an den Frequenzwandlern, il, i2 die von den beiden Frequenzwandlern
gelieferten Ströme, i den Gesamtstrom.
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Zur Erzeugung einer praktisch geradlinigen Regelkurve, bei der also
der von den beiden Kommutatorfrequenzwandlern abgegebene Strom sich aus den zwei
aufeinander senkrecht stehenden
Komponenten zusammensetzt, von denen
die eine bei konstanter Phasenlage in der Größe zwischen einem positiven und einem
negativen Höchstwert regelbar ist, während die zweite dabei annähernd konstante
Größe aufweist, ist das Winkelverhältnis nach folgender Gleichung zu wählen:
Die Teilströme sind gegeben als Summe und der Komponenten
Fig.7 zeigt den mit derartigen Frequenzwandlern erzielbaren Erregerstromverlauf.
Die ausgezogene Linie A gilt für genau konstant gehaltenen Erststrom an den Frequenzwandlern.
Berücksichtigt man die wegen der endlichen Größe der Drosselspule nicht ganz zu
vermeidende Änderung des Drosselstromes, so ergibt sich etwa die Linie B, die aber
auch noch gut brauchbar ist. In die Verstellwelle (Fig. 2) wird zweckmäßig eine
verstellbare Kupplung I3 eingeschaltet. Mit ihr kann die Erregerstromkurve geschwenkt
werden, so im über- und untersynchronen Regelgebiet der Leistungsfaktor bequem nachgeregelt
werden kann. Nur bei der Drehzahl der Hauptmaschine des Regelsatzes ist die Nachregelbarkeit
des Leistungsfaktors begrenzt. Die Isolierumspannererhalten deshalb zweckmäßig einige
Anzapfungen, um wenigstens eine Einstellmöglichkeit zu haben.