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Anordnung zur Spannungsregelung von Synchronmaschinen mit Hilfe eines
Gleichrichters In dem Hauptpatent ist eine Anordnung zur Spannungsregelung von Synchronmaschinen
mit Hilfe eines Gleichrichters beschrieben, der die Erregerwicklung der Synchronmaschine
aus dem Wechselstromnetz. unmittelbar oder mittelbar speist. Die Erfindung soll
darin bestehen, daß der Transformator des Gleichrichters mit einem von der Belastung
der Synchronmaschine unabhängigen Scheinwiderstand in Reihe geschaltet ist, dessen
Leistung ein Vielfaches der über. ihn an den Gleichrichtertransformator gelieferten
Leistung ist. Als einfachstes Beispiel ist dort die direkte Speisung der Erregerwicklung
durch den Gleichrichter angegeben, dessen Transformator primär der belastungsunabhängige
und der belastungsabhängige Strom überlagert werden. Der Strom in der Erregerwicklung
muß daher diesen beiden Strömen entsprechen. Es sind jedoch im Hauptpatent auch
Ausführungsbeispiele angegeben, bei denen die Erregerwicklung der Synchronmaschine
über eine besondere Erregermaschine gespeist wird, und erst deren Erregerwicklung
ist an den Gleichrichter angeschlossen. Man kann damit im stationären Zustand, wenn
.sich die Erregerwicklung der Synchronmaschine wie ein Ohmscher Widerstand verhält,
einen Strom in ihr erzeugen, der dem Gleichrichterstrom entspricht. Denn die Ankerspannung
der Erregermaschine ist bei konstanter Drehzahl dem Erregerstrom proportional, und
wenn der Ankerkreis auf einen konstanten Widerstand arbeitet, ist auch der Ankerstrom
dem Erregerstrom proportional. Man will aber gerade im nichtstati@onären Zustand,
wenn sich der induktive Widerstand der Erregerwicklung bemerkbar macht, eine wesentlich
höhere Erregerspannung an der Synchronmaschine haben, um den Erregerstrom möglichst
rasch auf seinen neuen Sollwert zu bringen. Das erfordert aber, daß die Erregung
der Erregermaschine zunächst einen höheren Wert besitzt als dem Sollwert des Erregerstromes
der Synchronmaschine entspricht.
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Die Erfindung betrifft eine Weiterbildung der Anordnung des Hauptpatentes,
durch die dies erreicht wird. Erfindungsgemäß besitzt die Erregermaschine einerseits
eine Fremderregung, die von dem Gleichrichter gespeist wird, andererseits eine dem
Erregerstrom der Svnchronmaschine verhältnisgleiche und der Fremderregung entgegenwirkende
Erregung. Es wird also der Erregerwicklung der Erregermaschine einerseits der Gleichrichterstrom
zugeführt, anderseits einer zweiten Erregerwicklung in Gegenerregung der Ankerstrom
der
Erregermaschine, so daß als resultierende Erregung nur die Differenz der beiden
wirksam ist. f e kleiner also der Ankerstrom ist, desto größer ist die Irregung
vom Gleichrichter her und je mehr der Ankerstrom nun zunimmt, desto kleiner wird
di° resultierende Erregung. Je höher man nun im nichtstationären Zustand die Ankerspannung
der Erregermaschine ainvachsen lassen will, desto mehr ist man gezwungen, die für
beide Erregungen erforderlichen Ainperewindungen zu vermehren, die sich dann im
stationären Zustand nahezu völlig aufheben. Man erhält auf diese Weise ungünstige
Abmessungen für die Erregerwicklungen. Man kann dies vermeiden, wenn man die eigene
Erregung der Erregermaschine durch eine dritte Wicklung aufbringen läßt, die man
parallel zu den Klemmen der Erregermaschine legt, so daß sich die 'Maschine gerade
noch selbst erregt. Die beiden anderen Wicklungen können dann wesentlich kleiner
sein und dienen lediglich dem eigentlichen Regelvorgang. Ist der Ankerstrom kleiner
als sein Sollwert, dann unterstützt der Gleichrichters trom die Selbsterregung und
treibt die Spannung hoch, geht der Ankerstrom über seiner. Sollwert hinaus, so liebt
er nicht nur den Gleichrichterstrom, sondern auch die Selbsterregung auf. Er muß
sich also wieder auf seinen Sollwert einstellen.
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Es ist bereits ein Gleichstromverbundgenerator bekannt, der die Erregerwicklung
eines zweiten Gleichstromgenerators speist. In den Stromkreis der fremderregten
Erregerwicklung dieser Verbunderregermaschine ist ein relativ großer Ohmscher Widerstand
eingeschaltet, um die vom Ankerstrom durchflossenen Wicklungen und die fremderregte
Wicklung zu entkoppeln. Außerdem besitzt dieser Erregergenerator eine selbsterregte
Wicklung. Demgegenüber dient die Erregermaschine der Erfindung zur Speisung der
Erregung eines Synchrongenerators gemäß dem Hauptpatent, und es wird dadurch, wie
geschildert, eine besonders zweckmäßige Verbesserung der Anordnung des Hauptpapentes
erzielt. Bei der bekannten Anordnung können die durch die Erfindung beseitigten
Schwierigkeiten von vornherein nicht auftreten, da hier die Erregermaschine einen
Gleichstromgenerator zu erregen hat, an dein Stoflerregungsvorgänge praktisch keine
Rolle spielen.
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An einigen Ausführungsbeispielen soll der 1?rhndungsgedatike näher
erläutert werden. In Abb. i bezeichnet i die synchrone Hauptmaschine, die durch
die direkt gekuppelte Gleichstrommaschine 2 erregt wird. Diese besitzt im Ständer
eine Kompensationswicklung 3 und drei Erregerwicklungen .1, 5 und 6. Die Wicklung
_l. wird voni -Ankerstrom in Reihe durchflossen, die Selbsterregungswicklung @ liegt
parallel zu den Klemmen der Maschine, und die fremderregte Wicklung 6 wird vom Gleichrichter
7 mit einem belastungsa15hängigen und einem belastungsunabhängigen Strom gespeist,
die in der Priinärwicklung des Gleichrichtertransformators N überlagert und von
demStrorntransformatory sowie von der Blindleistungsmaschine io zugeführt werden.
Die Blindleistungsmaschine stellt dabei den großen Scheinwiderstand dar. Die Selbsterregungswicklung
5 wird so bemessen, daß sich die Maschine unter ihrem Einfluß gerade auf dein geradlinigen
Teil ihrer Charakteristik erregt. In Abb. 2 bezeichnet I die Klemmenspannung der
Maschine als Funktion der erregenden Amperewindungen AWe. Die Gerade Il stellt die
:Ampere@viiidungen dar, die unter dein Einfluß der Klemmenspannung E in der Selbsterregungswicklung
5 'zustande kommen. Sie sind der Klemmenspannung proportional, verlaufen also geradlinig.
Die Wicklung 6 liefert nun die konstanten Aniperewindungen o a., so daß die
resultierende Erregerkurve nun durch die Gerade III dargestellt wird. Unter ihrem
Einfluß würde sich die Maschine bis zum Schnittpunkt b, also bis zur Spannung
o b' erregen. _Unter dein Einfluß der Spannung (Kurve I) würde sich jedoch
in der Erregerwicklung der Synchronmaschine und damit auch in der Reihenschlußwicklung
der Gleichstrommaschine im stationären Zustand ein Strom auszubilden suchen, dessen
Ainperewindungen durch die Gerade IV dargestellt sind. Weil sie entgegengesetzt
erregend wirken sollen, sind sie von der Ordinatenachse nach links aufgetragen.
Die resultierende Erregung erhält inan nun, v: enn man die Abszissen der Kurve IV
(bis zur Ordinatenachse) von der Kurve III nach links aufträgt. Es ergibt sich so
die Gerade V, die mit der Kurve I einen stabilen Schnittpunkt c bildet. Die Spannung
o c' ist gerade die Spannung, bei der der Strom in der Erregerwicklung, dargestellt
durch die Abszissen zwischen der Geraden III und V, den dein Gleicbrichterstroin
entsprechenden Sollwert d c besitzt und die Amperewindungen o a der Wicklung 6 gerade
aufhebt. Bei jedem kleineren Wert würde sich eine höhere Spannung einzustellen suchen,
bei jedem größeren Wert eine kleinere. Hat der Gleichrichterstroni einen anderen
Wert, z. B. den doppelten o a', so verläuft sofort die resultierende Erregerkurve
nach der Geraden Z"', der stabile Schnittpunkt f mit der Kurve I liegt jetzt beim
doppelten Wert o f' der Spannung. Dieser Wert wird auf schnellstem
'tVege erreicht. einmal weil infolge der Selbsterregun;-sschaltung die Spannung
auf dem geradlinigen 'feil
der Charakteristik I hochklettert, zum
anderen weil die Amperewindungen der Wicklung 6 eine starke Zusatzerregung darstellen,
die in ihrer Größe infolge der getroffenen Stromtransformatorschaltung durch Selbstinduktionsspannungen
praktisch nicht beeinflußt und erst beim Sollwert des Ankerstromes durch die Gegenerregung
d' f aufgehoben wird. Bei jeder Abweichung des Ankerstromes, d. h. des Erregerstromes
der Synchroninaschine von seinem durch die Wicklung 6 vorgeschriebenen Sollwert
springt die Kleininenspannung der Erregermaschine 2 schlagartig auf einen Wert,
den man je nach der Form, die man der Charakteristik I gibt, auf ein Vielfaches
des -Normalwertes bringen und nach oben hin durch die Sättigung der Erregermaschine
begrenzen kann. Im Normalbetrieb arbeitet die Erregermaschine dann im ungesättigten
Bereich. Die Anordnung wirkt also genau so, als wenn der Gleichrichterstrom direkt
dem Anker der Synchronmaschine zugeführt würde. Weil jedoch durch die Erregermaschine
eine vielfache Verstärkung stattfindet, kann man den Gleichrichter und die Apparate
der zugehörigen Stromtransformatorschaltung erheblich verkleinern. Man kann diese
Verkleinerung noch weiter treiben, wenn man die Erregermaschine 2 von einer besonderen
Hilfserregermaschine erregt, die ihrerseits Stromvergleicherregung besitzt. Eine
derartige Schaltung zeigtAbb.3. Soweit die gleichen Bezugszeichen verwendet sind,
haben diese die gleiche Bedeutung wie in Abb. i. Die Haupterregermaschine -z besitzt
außer der Kompensationswicklung 3 eine Erregerwicklung ii, die vom Ankerkreis der
Hilfserregermaschine i2 gespeist wird. Die Regelung auf konstantem Strom findet
nun in dieser Maschine 12 statt, die zu diesem Zweck die drei Erregerwicklungen
im Ständer aufweist. 13 bedeutet die fremderregte, 14 die selbsterregte und 15 die
reihenschlußerregte, während 16 die Kompensationswickhing darstellt. Die Erregerwicklung
15 wird jedoch im Gegensatz zur Schaltung nach Abb. i nicht vom eigenen Ankerstrom
der Maschine 12, sondern von dem der Haupterregermaschine durchflossen. Man erreicht
auf diese Weise, daß stabile Verhältnisse nur dann vorliegen, wenn die Amperewindungen
der Wicklung 15 entgegengesetzt größengleich denen der Wicklung i3 sind. In jedem
anderen Fall findet über die Maschine 12 eine Erregung im Sinne der Herstellung
des Sollwertes statt, und zwar um so mehr, je größer die Abweichung vom Sollwert
ist. Versieht man die Haupterregermaschine 2 noch mit einer in der Abb. 3 nicht
dargestellten zweiten Erregerwicklung, die parallel zu den Maschinenklemmen liegt,
so übernimmt diese nahezu die volle Erregung, während die Wicklung i i nur geringe
Zu- oder Gegenerregung zu liefern braucht. Die Hilfserregerniaschine 12 kann dadurch
äußerst klein gehalten werden und damit wiederum auch der Gleichrichter mit Zubehör.
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Ferner kann man die Erregerwicklungen teilweise zusammenlegen, z.
B. kann man die Reihenschlußwicklunng 4. und die fremderregte Wicklung 6 in Abb.
i bzw. 15 und 13 in Abb. 3 zu einer Wicklung vereinigen. Dies ist möglich, weil
der Gleichrichtertransformator sekundär nur den Strom führen kann, der ihm primär
aufgedrückt wird. Wenn man also die Wicklung d. und 6 bzw. 15 und 13 zusammenlegt,
üben beide Ströme in den Maschinen die gleiche magnetische @,#'irlsung aus wie zuvor
in getrennten Wicklungen. Man könnte auch zwischen die Erregerwicklung ii und die
Hilfserregermaschine 12 weitere Hilfserregermaschinen in Kaskade schalten. Es muß
dann wiederum in der Maschine 12 die Regelung auf konstantem Strom stattfinden:
An Stelle der Blindleistungsmaschine io -genügt in manchen Fällen eine Doppelspule.