DE554016C - Mechanisch angetriebene, fremd erregte Wechselstrommaschine zur ausschliesslichen Blindleistungserzeugung, deren Staender bei asynchroner Ausbildung der Maschine mit einer Erreger- oder Kompensationswicklung versehen ist - Google Patents

Description

Zur Erzeugung reiner Blindleistung bei Wechselstrommaschinen ist eine bestimmte Relativlage von Ständer- zu Läuferdrehfeid erforderlich. Dies gilt ebenso für synchrone wie für asynchrone Blindleistungsmaschinen. Bei Asynchronmaschinen wird das Läuferdrehfeld, von einer sekundären Maschine zugeführt. Wird nun der Läufer solcher Maschinen, und zwar fremd erregten Blindleistungsmaschinen, obwohl zur Erzeugung reiner Blindleistung eine bestimmte Relativlage vom Ständer- und Läuferdrehfeld notwendig ist, aus irgendwelchen Gründen mit anderen umlaufenden oder drehfeldbestim-

_Xg menden Maschinen gekuppelt, so läßt sich nicht immer vermeiden, daß die blindleistungerzeugende Maschine bei asynchroner Ausbildung dann, wenn sie eine Erreger- oder Kompensationswicklung im Ständer hat, Drehmoment erhält und daher Wattleistung aufnimmt oder abgibt. Dies findet elektrisch i. B. bei Synchronmaschinen dadurch seinen Ausdruck, daß zwischen Läufer- und Ständerdrehfeld die unter dem Namen D-Abweichung

a₅ bekannte Winkelverschiebung auftritt. Die Erzeugung reiner Blindleistung wird hierdurch gestört.

Erfindungsgemäß wird nun bei einer solchen Wechselstrommaschine die Erzeugung reiner Blindleistung dadurch sichergestellt, daß ihr normalerweise fest angeordneter Ständer derart frei beweglich gemacht wird, daß zwischen ihm und dem Läufer kein Drehmoment entstehen kann. Wenn Ständer oder Läufer einer solchen Maschine durch Kupplung mit einer anderen umlaufenden Maschine eine bestimmte Läuferlage erhalten und eine solche Veränderung der Betriebsverhältnisse eintritt, daß die Blindleistungsmaschine zur Abgabe oder Aufnahme von Wirkleistung übergehen will, so bildet sich zwischen Ständer und Läufer ein Drehmoment. Dieses Moment verdreht den frei beweglichen Ständer so lange, bis es zu Null wird; hierdurch wird selbsttätig die reine Blindleistungserzeugung wiederhergestellt.

Die drehbare Lagerung ist bei Kommutatorphasenschiebern mit unausgeprägten Polen bekannt, um das durch die massive Ausbildung des Ständers erzeugte bremsende Moment auszugleichen. Ferner ist es bei einer eigenerregten Kommutatormaschine bekannt, das äußere Joch mit dem Läufer zu einem zusammenhängenden Eisenkörper ohne Luftspalt zu vereinigen. Bei einer derartigen eigener regten Maschine kann jedoch die Re-

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

Karl Baudisch in B erlin-Wilmersdorf.

lativlage des primären und sekundären Feldes nicht geändert werden, so daß die Drehmomentbildung nicht verhindert und die Erzeugung reiner Blindleistung somit nicht stet s sichergestellt werden kann.

Eine Ausführungsform der Erfindung zeigt Fig. i. Hier bedeutet ι eine Antriebsmaschine, 2 einen Synchrongenerator und 3 eine Synchronmaschine, die nach der Erfindung mit frei beweglichem Ständer ausgeführt ist. Diese Maschine muß infolge dieses Umstandes reine Blindleistung aufnehmen oder abgeben, was bei bisherigen Ausführungen, d. h. bei Ausführung der Maschine 3 mit festem Ständer, nicht möglich war, da in diesem Falle die Erzeugung von Blindleistung in der Maschine 3 davon abhängig war, ob die Maschine 2 eine größere oder kleinere Belastung hatte und der Läufer gegenüber dem Feld des Ständers 2 eine andere Lage annehmen mußte.

Infolge der Kupplung der Maschine 3 mit der Antriebsmaschine werden die Verluste dieser Maschine von der Antriebsmaschine her unmittelbar gedeckt. Es werden hierdurch also· zusätzliche Verluste zum Teil vermieden, die dadurch entstehen, daß beim Arbeiten der Maschine 3 als frei laufender Synchronmotor bekannter Art die Verluste dieses Motors vollständig aus dem Netz 4 gedeckt werden müssen, wobei der Wirkungsgrad des Generators 2 die zusätzlichen Verluste verursacht.

Weitere Anwendungen der Erfindung zeigen die Fig. 2, 3 und 4, in denen Kaskaden dargestellt sind, die entweder nur Blindleistung oder Wirk- und Blindleistung abzugeben in der Lage sind. In Fig. 2 wird eine Kaskade, bestehend aus Induktionsvordermaschine 5 und Kommutatorhintermaschine 6, von einem Synchronumformer 7, 8 erregt. Die Maschine 6 hat eine Kompensationswicklung. In normaler Weise ausgeführt, könnte sie sowohl drehzahlregelnd als auch rein erregend wirken. Wird der Ständer dieser Maschine gemäß der Erfindung beweglich gemacht, so ist die Drehzahlregelung ausgeschlossen, und die Maschine kann nur erregend wirken. Je nach dem Drehmoment der Vordermaschine wird der Ständer der Erregermaschine nach beiden Seiten so ausschwingen, daß reine Blindleistungserzeugung sichergestellt ist. Die Maschine 6 kann mit Läufer- oder Ständererregung ausgeführt werden. Bei läufererregten Maschinen, die zur Erregung oder Drehzahlregelung dienen und wie in Fig. 2 von einem Synchronerregerumformer erregt werden, können bei Belastungsstößen oder bei periodischen Schwankungen der Netzfrequenz Pendelungen auftreten, bei denen die Umformer 7, 8 mit Wirkleistung beaufschlagt werden, obgleich diese bei normalem Betrieb durch die Kompensierung der Maschine 6 ausgeschlossen sind. Diese Pendelungen können durch die über Erregerumformer gegebene elastische Kupplung mit dem Netz Resonanzerscheinungen zur Folge haben, die den Betrieb empfindlich beeinflussen. Führt man nun aber auch Maschine 7 mit schwenkbar gelagertem Ständer aus, so erhält man eine völlig unelastische Anordnung, die auf Pendelungen nicht anspricht und gleichsam als Dämpfung für die Pendelungen des Hauptmaschinensatzes wirkt. Hierbei muß dafür Sorge getragen werden, daß nach den Belastungsstößen der Ständer 7 in seine ursprüngliche Lage zurückkehrt. Es kann auch zwischen die Maschinen 6 und 7 bei fester Anordnung ihrer Ständer eine ständererregte kompensierte Erregermaschine 20 mit beweglichem Ständer (in Fig. 2 gestrichelt) gelegt werden, die jeden Wirkleistungsaustausch zwischen 6 und 7 ausschließt.

In Fig. 3 ist die Induktionsvordermaschine 5 mit der Kommutatormaschine 6 nur elektrisch ⁸S verbunden. Diese wird daher von einem besonderen Synchronmotor 10 angetrieben. Ihre Erregung erfolgt mit der Drehzahlfrequenz des Vordermotors durch eine weitere Synchronmaschine 9. Auch hier sind durch die Wirkung der beiden Synchronmaschinen 9 und 10 Pendelungen nicht ausgeschlossen, die am besten unter Sicherstellung der Erzeugung reiner Blindleistung dadurch vermieden werden, daß die Maschinen 6 oder 9 mit beweg-lichem Ständer ausgeführt werden.

Die Gefahr des Auftretens von Pendelungen besteht auch bei doppelt gespeisten Maschinen in Verwendung als Kopiermotoren. Insbesondere hat sich diese Erscheinung bei i°o Kopiermotoren in Verbindung mit elektrisch gekuppelten Frequenzwandlern, wie sie Fig. 4 zeigt, bemerkbar gemacht. Die Induktionsvordermaschine 5 ist hier mit einem Frequenzwandler 11 elektrisch gekuppelt, der von dem Kopiermotor 12 angetrieben wird. Wird der Frequenzwandler schleifringseitig von einem Synchronumformeraggregat 13, 14 gespeist, so wird seine erregende Wirkung durch einen frei beweglichen Ständer der Maschine 13 sichergestellt und Pendelungen, die durch den Kopiermotor 12 hervorgerufen werden, durch Beweglichkeit dieses Ständers ausgeglichen.

Bei allen derartigen Maschinen mit beweglichem Ständer besteht eine gewisse Pendelgefahr dadurch, daß die Massen des beweglichen Ständers selbst in Schwingungen geraten können und durch das Hinundherehen dieser Massen ein unerwünschter Wirkleistungsfluß auf den Läufer übertragen wird, indem sich die beim Pendeln des Ständers

auftretende kinetische Energie desselben in elektrische Leistung umsetzt, und umgekehrt. Dies kann dadurch vermieden werden, daß an dem Ständer eine mechanische Dämpfungseinrichtung bekannter Art oder auch eine elektrische Dämpfung in Form eines Dämpferkäfigs angebracht wird.

Die Verwendung einer Wechselstrommaschine mit frei beweglichem Ständer innerhalb einer Anordnung nach Fig. 5 läßt eine neue Wirkung der Erfindung erkennen. Die Induktionsvordermaschine 5 ist hier wieder mit der kompensierten Kommutatormaschine 6 mit frei beweglichem Ständer gekuppelt, und zur Aufrechterhaltung der Kompensationsstellung ist die Bürstenbrücke mit dem frei beweglichen Ständer fest verbunden. Die Maschine 6 erhält ihren Antrieb von einem besonderen Motor 15, während sie schleif ringseitig aus dem Netz über einen Transformator 16 erregt wird. Wenn jetzt die Maschine mit einer ganz beliebigen Drehzahl von dem Motor 15 angetrieben wird, so läuft der frei bewegliche Ständer der Maschine 6 von selbst mit einer solchen Periodenzahl um, daß die Unstimmigkeit von Erregerfrequenz gegen Schlupffrequenz jeden beliebigen Wert annehmen kann, so daß es z. B. möglich ist, Motor 5 mit Schlupffrequenz oder mit einer anderen Frequenz laufen zu lassen, die etwa durch eine zweite drehzahlregelnde Hintermaschine bestimmt wird, die auf einen weiteren Satz Schleifringe 19 des Vordermotors einwirkt. Diese zweite Sintermaschine kann beliebiger Natur sein; sie kann fremd angetrieben oder mit der Maschine 5 gekuppelt sein. Eine derartige Anordnung wird besondere Vorteile aufweisen, wenn man mit Rücksicht auf die Leistung oder die Überlagerung zweier verschiedener Charakteristiken zwei Hintermaschinen verwenden will und dadurch für die Maschine 6 eine starre Kupplung umgehen kann, während vielleicht die andere Hintermaschine schlüpfend, z. B. mit Riemen, gekuppelt wird. Eine solche Anordnung hat besondere Bedeutung auch dadurch, daß die Kupplung von zwei Hintermaschinen mit einer Vordermaschine oft konstruktive und räumliche Schwierigkeiten bereitet. Aus der Anordnung nach Fig. 5 geht hervor, daß es überhaupt möglich ist, blindleistungerzeugende Maschinen mit willkürlicher Drehzahl laufen zu lassen, ohne daß man auf die abgegebene Frequenz Rücksicht zu nehmen braucht. Da der Ständer sich automatisch auf die Läuferdrehzahl einstellt, so ist überhaupt jeder Zusammenhang zwischen Antriebsdrehzahl und gelieferter Frequenz verschwunden. Es kann also die Drehzahl konstant, die Frequenz variabel, die Frequenz konstant und die Drehzahl variabel oder es können beide konstant oder beide variabel sein. Diese Erkenntnis kann man sehr vorteilhaft für Asynchrongeneratoren selbständiger Art anwenden.

Eine solche Anordnung wird in Fig. 6 gezeigt. Die Induktionsmaschine 5 wird von einer Kraftmaschine angetrieben und von der Kommutatorhintermaschine 6 über die Synchronmaschine 7 erregt, die von einer besonderen Kraftmaschine 17 angetrieben ist. Die Anordnung ist geeignet, Spannung und Frequenz in einem Netz 4 stabil aufrechtzuerhalten.

Bei bisher bekannten Ausführungen der Maschine 7 bzw. der Maschine 6 mußte die Drehzahl der Antriebsmaschine 17 genau der Netzfrequenz angepaßt sein, wenn das Netz noch durch andere Generatoren gespeist wird. Das Parallelarbeiten der Maschine 5 in dieser Erregerschaltung mit anderen Generatoren war daher erschwert, und man mußte für den Fall der Zuschaltung solcher Generatoren eine Umschaltung in der Erregung, beispielsweise auf Netztransformatoren, vornehmen. Diese Umschaltung fällt fort, wenn der Ständer der Maschine 6 frei beweglich gemacht wird, da sich dann die Erregerfrequenz stets der durch die Netzfrequenz und die Ant-riebsdrehzahl der Maschine 6 bestimmten Schlupffrequenz go anpaßt.

Die Anordnung ist auch geeignet, die Verwendung nur elektrisch gekuppelter Hintermaschinen 6 für Asynchrongeneratoren selbständiger Art zu ermöglichen, wobei die besonderen Vorteile darin liegen, daß man in der Wahl der Drehzahl des Erregermaschinensatzes freie Hand hat.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   ι. Mechanisch angetriebene, fremd erregte Wechselstrommaschine zur ausschließlichen Blindleistungserzeugung, deren Ständer bei asynchroner Ausbildung der Maschine mit einer Erreger- oder Kompensationswicklung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß auch ihr Ständer derart frei beweglich eingerichtet ist, daß zwischen ihm und dem Läufer kein Drehmoment entstehen kann.
2. 2. Mechanisch angetriebene, fremd erregte Wechselstrommaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung der Maschine als Wechselstromkommutatormaschine die Bürstenbrücke mit dem Ständer starr verbunden ist.
3. 3. Mechanisch angetriebene, fremd erregte Wechsel Stromkommutatormaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in den Läuferkreis einer asynchronen Vordermaschine geschaltet ist.
4. 4· Mechanisch angetriebene, fremd erregte Wechselstromsynchronmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Erregung einer in den Läuferkreis einer asynchronen Vordermaschine eingeschalteten Kommutatormaschine dient.
5. 5. Mechanisch angetriebene, fremd erregte Wechselstromkommutatormaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit frei umlaufendem Ständer ausgeführt und mit frei wählbarer Drehzahl angetrieben ist.
6. 6. Mechanisch angetriebene, fremd erregte Wechselstromsynchronmaschine nach Anspruch 4 für generatorischen Betrieb der asynchronen Vordermaschine, dadurch gekennzeichnet, daß sie von einem Motor mit vom Netz unabhängiger Drehzahl angetrieben ist.
7. 7. Wechselstrommaschine nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der frei bewegliche Läufer eineDämpfungsanordnung mechanischer oder elektrischer Art aufweist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen