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Verfahren zur Regelung von selbsterregten Asynehrongeneratoren.
Die Erfindung bezieht sich auf selbsterregte Asynehrongeneratoren, die im Betrieb ohne Kommutator und Gleichstromerregung arbeiten. Bei derartigen Generatoren kann man parallel zu den einzelnen Phasenwicklungen Kapazitäten von solcher Grösse schalten, dass die Phasenwicklungen auf die Netzfrequenzen abgestimmt werden, während die Rotorwicklungen im Betriebszustande kurzgeschlossen sind.
Ein solcher Generator ist in Fig. 1 im Prinzip dargestellt. Von den drei in Stern geschalteten Wicklungen des Rotors R sind zwei dauernd kurzgeschlossen, während der Kurzschluss für die dritte Wicklung über den Kontakt a1 des Schalters A gebildet wird. Dieser Schalter A dient zur Inbetriebsetzung der Anordnung. Hiezu wird der Rotor in der üblichen Weise durch eine Kraftmaschine angetrieben und für eine kurze Zeit an eine geeignete Gleich- oder Wechselspannung gelegt. In Fig. 1 ist der Betriebszustand gezeigt. Beim Anlauf wird der Schalter A nach unten gelegt und über den Kontakt a2 eine Gleichspannung der Batterie B angelegt. Durch den kurzen Gleichstromspannungsstoss im Rotorkreis werden die Schwingungen im Statorkreis S angestossen.
Zu den Statorwicklungen 1, 2 und 3 liegen Kondensatoren cl, c 2, c 3 parallel, durch welche die Abstimmung erfolgt. Ein solcher Generator hat gegenüber den gebräuchlichen Synchrongeneratoren den Vorteil, dass grosse Kurzschlussströme nicht auftreten können, da die Generatoren sich sofort entregen und nach Beendigung des Kurzschlusses sofort ohne fremdes Zutun wieder auf Spannung kommen. Aus diesem Grunde eignen sie sich besonders zur Verwendung im elektrischen Bahnbetrieb, da hier die Kurzsehlussgefahr bekanntlich besonders gross ist.
Die Erfindung befasst sieh mit der Regelung derartiger Generatoren und gibt verschiedene Möglichkeiten an, die zweckmässigerweise gleichzeitig zur Anwendung gelangen können.
Wird ein solcher Generator, wie er eingangs geschildert ist, an ein Netz, das in Fig. 1 an die Klemmen u, v und w angeschlossen ist, geschaltet, bei dem sich die Belastungsbedingungen, sei es in ihrer Höhe, sei es in ihrem Phasenwinkel, ändern, so treten besonders im letzteren Falle erhebliche Änderungen des Magnetisierungsstromes auf (infolge der eingeschalteten Kondensatorbatterie), so dass unzulässige Spannungsschwankungen des Netzes entstehen können. Es wird daher der Erfindung gemäss die Erregung des Generators in Abhängigkeit von der Spannung geregelt.
Der einfachste Weg hiefür besteht darin, den Generator in einem Bereich der Magnetisierungskurve arbeiten zu lassen, bei dem eine erhebliche Änderung des resultierenden wattlosen Stromes nur eine geringe Änderung der Spannung ergibt. Man muss, mit andern Worten, in dem Gebiet hoher Sättigung arbeiten, d. h. einen erheblichen Teil über dem sogenannten Knie der Magnetisierungskurve arbeiten.
In Fig. 2 ist die Magnetisierungskurve M, d. h. die Spannung V in Abhängigkeit vom Magnetisierungsstrom I, aufgetragen. Die Spannung am Kondensator ist eine Gerade ; ihre Neigung zur Abszissenaehse d-Achse) ist abhängig von der Grösse der Kapazität. Es sind zwei verschiedene Kapazitätsgrössen O. !
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gemäss der Erfindung mit einem Kapazitätswert gearbeitet, der etwa doppelt so gross ist, so wird die Gerade G2 erreicht und dieselbe Winkeländerung CI. verursacht nur eine geringe Spannungsänderung.
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Der angegebene doppelte'Wert jenes Kondensatorstromes, der an und für sich für die Selbsterregung notwendig wäre, ist besonders vorteilhaft.
Der Mehraufwand an Kondensatoren wird in den meisten Fällen durch die Vereinfachung der übrigen Anlage, bei der gegebenenfalls Reguliereinrichtungen überhaupt wegfallen können oder nur in beschränktem Umfange notwendig sind, aufgehoben.
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haupt nicht zur Anwendung gelangen kann, wird die Spannungsregelung vorteilhaft gemäss der weiteren Erfindung in der Weise vorgenommen, dass der zur Erregung des Generators notwendige voreilende
Blindstrom (kapazitiver Strom) abhängig von der Spannung des Generators selbsttätig gesteuert wird.
Die Spannungsabhängigkeit wurde ja in ihrem Prinzip eben an Hand der Fig. 2 erläutert. Zur
Regelung wird ein spannungsabhängiges Steuerorgan vorgesehen und mit seiner Hilfe der voreilende Blindstrom eingestellt. Auf welche Weise dies erfolgen kann, ist in den Fig. 3,4 und 5 im einzelnen dargestellt.
In Fig. 3 ist der kurzgeschlossene Rotor des selbsterregten Asynehrongenerators mit R bezeichnet.
P ist die diesen antreibende Kraftmaschine, welche beispielsweise eine Dampfmaschine, Wasserkraftmaschine oder Verbrennungskraftmaschine u. dgl. sein kann. Zu den drei in Stern geschalteten Widdungen des Stators S sind die Kondensatoren 4, 5, 6 parallelgeschaltet. Diese liefern den zur Erregung des
Generators erforderlichen wattlosen Strom. Um die von der Grösse des kapazitiven Blindstromes abhängige Generatorspannung regeln zu können, sind die Kondensatoren regelbar gemacht. Die Veränderung der Kapazität erfolgt durch die an den Generator angeschlossene spannungsabhängige Steuervorrichtung 17.
Diese kann entweder die Kapazitäten 4, 5 und 6 kontinuierlich verändern, wie es in der Fig. 1 angedeutet ist, sie kann aber auch einzelne Teilkapazitäten ab-und zuschalten. Einerseits ist es nun aber für eine gute Regulierung der Spannung nicht günstig, wenn durch Ab-und Zuschalten von Kapazitäten eine sprunghafte Änderung des wattlosen Stromes erfolgt, und anderseits bereitet die Verwendung von Drehplattenkondensatoren, wie sie erforderlich sind, um eine kontinuierliche Änderung der Erregung zu erhalten, gewisse Schwierigkeiten, da diese für Generatoren hoher Leistung entsprechend gross gemacht werden müssen.
Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, in Serie mit den Kondensatoren Induktivitäten zu schalten, also den kapazitiven Blindstrom durch induktiven Blindstrom zu verringern und diesen zu verändern. Zur kontinuierlichen Veränderung der Selbstinduktion können beispielsweise drehbare Differentialdrosseln verwendet werden, wie sie vor allem in der drahtlosen Nachrichtentechnik gebraucht werden. Die Selbstinduktion kann aber auch durch einen von der Steuervorrichtung 17 bewegten Tauch- kern geregelt werden. Hiefiir ist in der Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt.
In Serie mit den Kondensatoren 4, 5 und 6 sind die Drosseln 7, 8 und 9 geschaltet. Durch die spannungsabhängige Steuervorrichtung 17 wird die Induktivität dieser Drosseln durch Verschiebung
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die von ihr herrührende Komponente des wattlosen Stromes die kapazitive Komponente mehr oder weniger aufgehoben. Die variable Selbstinduktion stellt also mit dem in Serie liegenden Kondensator eine Art variable Kapazität dar.
Die Induktivität der Drosseln 7, 8 und 9 kann in bekannter Weise dadurch geändert werden, dass man eine gleichstromgespeiste Wicklung auf demselben Kern unterbringt und die Gleichstrommagnetisierung variiert, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Die Stärke des vom Gleichstromnetz 10 den Gleichstrommagnetisierungswicklungen 14, 15 und 16 der Drosseln 7, 8 und 9 zugeführten Gleichstromes wird durch entsprechende Einstellung der Widerstände 11, 12 und 1. 3 durch die spannungsabhängige Steuervorrichtung 17 bestimmt. Die Schaltung der Drosseln und der Steuervorrichtung ist wieder die gleiche wie in Fig. 4.
Die Vorrichtung 17 muss die Veränderung der Kapazitäten oder der Induktivitäten nicht, wie es in den AusfÜhrungsbeispielen der Fall ist, unbedingt auf direktem Wege vornehmen, sondern dies kann auch indirekt, beispielsweise auf elektrischem Wege, geschehen, indem sie Kontakte betätigt und dadurch einen die Veränderung des wattlosen Magnetisierungsstromes bewirkenden Servomotor steuert. Die Vorrichtung 17 kann dabei ein einfaches Kontaktvoltmeter sein, das etwa in einer besonders empfindlichen Schaltung an der zu messenden Spannung liegt.
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Generators ist abhängig von der Drehzahl und dem Schlupf. Wenn die Frequenz konstant gehalten werden soll, so müssen diese beiden Grössen derart variiert werden, dass ihre Differenz konstant bleibt.
Da nun der Schlupf lediglich abhängig ist von der Wattbelastung, so ist die Frequenzregelung nur durch Änderung der Drehzahl möglich. Man kann hiebei entweder von der Frequenz oder von der Wirkleistung des Generators ausgehen. Im ersteren Falle wird in an sieh bekannter Weise die von dem zu regelnden Asynchrongenerator erzeugte Frequenz zusammen mit einer konstanten Frequenz auf eine Vorrichtung zur Einwirkung gebracht, die bei einem auftretenden Frequenzunterschied auf die Tourenzahl der Antriebsmasehine regelnd einwirkt. Im letzteren Falle wird die Drehzahl in Abhängigkeit von der jeweiligen Wattbelastung geregelt.
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sind. Der Stator S besitzt ebenfalls drei in Stern geschaltete Wicklungen, zu denen zur Lieferung des erforderlichen wattlosen Stromes Kondensatoren parallel geschaltet sind.
Der im Stator erzeugte Drehstrom wird dem Wechselstromnetz V zugeführt. Der Antrieb des Asynehrongenerators erfolgt durch die Kraftmaschine P, welche beispielsweise eine Wasser-oder Dampfturbine oder eine sonstige Maschine sein kann. Ändert sich nun die Belastung des Generators, so ändert sich auch dessen Sehlupf und damit die Frequenz. Um diese wieder auf den ursprungliehen Wert zurückzubringen, muss die Drehzahl des
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zu haltende Frequenz mit einer Normalfrequenz verglichen. Diese wird durch den Synehrongenerator Q erzeugt, welcher durch den vom Netz-A*, also vom Generator R, S, gespeisten Asynchronmotor U angetrieben wird.
Um die Drehzahl dieses Motors auch bei grösseren Frequenzschwankungen des Generators R,
S konstant halten zu können, läuft er zweckmässig mit verhältnismässig grossem Schlupf, so dass bei sinkender Speisefrequenz durch Verringerung des Schlupfes die Solldrehzahl beibehalten werden kann.
Der Motor muss deshalb mit einer geringeren Polzahl ausgeführt werden als der Synchrongenerator Q.
Besitzt dieser beispielsweise vier oder sechs Pole, so muss der Asynchronmotor U zwei bzw. vier Pole erhalten. Dessen Schlupf beträgt dann 50% bzw. 331M (normal zirka 5%).
Die Regelung des Motors P ist, um eine möglichst grosse Konstanz der vom Synchrongenerator Q erzeugten Frequenz zu erhalten, in eine Grob-und eine Feinregelung unterteilt. Die Feinregelung wird durch die vom Fliehkraftregler D periodisch beeinflusste Wirbelstrombremse E vorgenommen. Diese bremst den Motor U jeweils derart ab, dass dieser mit stets gleich bleibender Tourenzahlläuft.
Die Steuerung der Wirbelstrombremse durch den Zentrifugalregler D erfolgt nach dem Tirrillprinzip, indem der Widerstand F im Erregerstromkreis der Wirbelstrombremse durch die Kontakte des Reglers über dessen Schleifringe G'periodisch kurzgeschlossen wird. Die Erregung der Wirbelstrombremse E und die des Synchrongenerators Q erfolgt durch das Gleichstromnetz 10. Die Grobregelung, welche den Zweck hat, den Fliehkra. ftregler dauernd derart zu unterstützen, dass er immer in seinem giinstigsten Regelbereich arbeitet, erfolgt auf folgende Weise :
Durch den Spannungsabfall am Widerstand F wird mit Hilfe des Relais K über die am Potentiometer L liegenden Kontakte und k'im Takte der Öffnungs- und Schlirssungs- zeiten des Reglerkontaktes D an den Anker des konstant erregten Servomotors 0 eine positive oder negative Spannung gelegt. Sind die Kontaktöffnungs- und -schliessungszeiten des Reglers, welcher unter dem Einfluss der Fliehkraft und der sich dieser überlagernden Schwerkraft während jeder Umdrehung einmal seinen Kontakt öffnet und schliesst, einander gleich, so sind auch die Schliessungszeiten der Kontakte k und k'gleich gross.
Das gleiche ist der Fall für die Summe der am Anker des Servomotors 0 liegenden positiven und negativen Spannungen. Ändert sich jedoch das Verhältnis der Kontaktöffnungs- zeiten zu den Kontaktschliessungszeiten, so ändert sieh auch das Verhältnis der am Servomotor liegenden positiven und negativen Spannungen, und der Servomotor läuft in der einen oder in der andern Richtung so lange, bis durch die Verstellung der Widerstände 19 der Schlupf des Asynchronmotors ! 7 derart eingestellt ist, dass die Kontaktöffnungs-und-schliessungszeiten des Reglers D wieder einander gleich sind, d. h. dieser in seinem günstigsten Regelbereich arbeitet.
Durch die tirrillartige Einwirkung des Flieh- luaftregle, rs auf die Wirbelstrombremse E und die Grobregelung durch den Servomotor 0 kann praktisch überhaupt keine Abweichung der Drehzahl vom Sollwert eintreten. Der Synchrongenerator Q gibt deshalb eine absolut konstante Frequenz ab, obwohl die Frequenz, mit welcher der Asynchronmotor U gespeist wird, in weiten Grenzen schwanken kann.
Die konstante Frequenz des Generators Q wird nun der Ständerwicklung des Asynchronmotors 20 zugeführt. Die Rotorwicklung desselben wird mit der konstant zu haltenden Frequenz des selbsterregten Generators R, S gespeist. Es kann aber auch die Rotorwicklung an den Generator Q und der Stator an das Netz N angeschlossen werden. Solange die Frequenz des Netzes N und die vom Generator Q erzeugte Frequenz einander gleich sind, bleibt der Läufer in Ruhe. Bei einer Änderung der Frequenz des Generators R, S in dem einen oder andern Sinn tritt im Rotor ein Drehmoment mit der bereits beschriebenen Richtung auf.
Da die Richtung dieses Drehmomentes durch die Art der Frequenzabweichung des Netzes N vom Sollwert bestimmt ist, kann die Drehung des Läufers des Motors : 20 unmittelbar zur Einwirkung auf die Drehzahl der Antriebsmaschine P ausgenutzt werden. Zu diesem Zweck ist mit dem Läufer ein Kontaktarm M verbunden, welcher bei Reehtsdrehung des Motors den Kontakt 22 und bei Linksdrehung den Kontakt 23 schliesst. Durch die dabei gesteuerten Stromkreise wird eine Vorrichtung 24 betätigt, welche auf die Drehzahl der Antriebsmaschine P so lange beschleunigend oder verzögernd einwirkt, bis die dem Motor,'20 zugefÜhrten Frequenzen wieder einander gleich sind. d. h. der Asynchrongenerator R, S die vorgeschriebene Frequenz abgibt.
Die Einwirkung des Motors 20 auf die Kraftmaschine P kann auch direkt erfolgen, etwa in der Weise, dass mit dem Läufer die Mittel zur Einstellung der Kraftzufuhr od. dgl. direkt angetrieben werden. Der Motor 20 kann aber auch auf mechanischem Wege indirekt auf die Drehzahl der Maschine P einwirken, z. B. durch Einschalten einer Öl-oder Luftdrucksteuerung od. dgl.
Wird der weiter oben ebenfalls für die Frequenzregelung gangbare Weg eingeschlagen und die Drehzahl in Abhängigkeit von der Wattbelastung und damit auch vom Sehlupf geregelt, so eignet sich hiezu folgende in Fig. 7 dargestellte Anordnung.
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Es ist R der Rotor eines von der Kraftmaschine P angetriebenen selbsterregten Generators.
Dessen Stator S enthält die in Stern geschalteten Wicklungen, zu denen zur Erzeugung des erforderlichen wattlosen Erregerstromes Kondensatoren parallelgeschaltet sind. 17 ist eine nach dem Wattmeterprinzip arbeitende Steuervorrichtung, welche über den Messwandler 50 an die Klemmen des Generators R, S angeschlossen ist. Steigt beispielsweise die Belastung in dem an die Klemmen 60 angeschlossenen Netz, so erhöht sich auch der Schlupf des Generators R, S, und es tritt eine entsprechende. Verminderung der Frequenz ein. Um diesen Unterschied wieder ausgleichen zu können, muss die Drehzahl des Rotors R entsprechend erhöht werden. Es ist also erforderlich, die Kraftzufuhr zu der Antriebsmaschine P entsprechend zu erhöhen oder auf sonstige Weise auf die Drehzahl einzuwirken.
Dies besorgt die mit der Steuervorrichtung 17 gekuppelte Hilfssteuervorrichtung 70, welche jeweils die Tourenzahl derart einstellt, dass sie immer der von der wattmetrischen Steuervorrichtung 17 angezeigten Belastung des Netzes entspricht. Als Hilfssteuervorriehtung eignet sich dabei besonders ein Gleichstrom-WechselstromWiderstandsumformer in Verbindung mit einem Synchronmotor, da ein derartiger Umformer wegen seines äusserst geringen mechanischen Leistungsbedarfs von der Steuervorrichtung 17 leicht angetrieben werden kann, denn diese hat nur kleine Reibungswiderstände zu überwinden.
Der an den Umformer angeschlossene Synchronmotor kann bei geeigneter Wahl der Widerstände des Umformers und der diesen zugeführten Gleichstromleistung ganz erhebliche Steuerkraft besitzen und folgt jeder Bewegung der Steuervorrichtung 17 absolut synchron.
Die Steuervorrichtung 17 kann aber auch die Kraftzufuhr zur Maschine P direkt steuern. Sie muss in diesem Falle lediglich demgemäss dimensioniert werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Regelung von Asynchrongeneratoren, die durch parallel zu ihren Phasen-
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sierungsstrom für den Generator in Abhängigkeit von der Spannung und (oder) die Frequenz in Ab- hängigkeit vom Schlupf geregelt wird.