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Spannungsregler mit Stabilitätswinkelbegrenzungseinrichtung für einen Wechselstromgenerator Gegenstand der Erfindung ist ein Spannungsregler mit einer Stabilitätswinkelbegrenzungseinrichtung für einen Wechselstromgenerator, welche, wie bekannt ist, die statische Stabilitätsgrenze durch denjenigen Polradwinkel bestimmt, für welchen das synchronisierende Moment ein Minimum erreicht. Unter Polradwinkel pp (Fig. 1) ist hier der Winkel zwischen der Polradspannung E (induzierte EMK) und der Klemmenspannung UK verstanden. Der Stabilitätswinkel ist angenähert bestimmt durch die synchrone Reaktanz des Generators und die äussere Reaktanz des Netzes.
Ausserdem ist für den Stabilitätswinkel noch der Winkel pN wichtig, welcher unter anderem durch die Netzreaktanz gegeben ist, also der Winkel zwischen der Klemmenspannung UK und der Spannung an einem bestimmten Netzpunkt UN. Der Stabilitätswinkel pS ist dann der Winkel zwischen der Polradspannung E und dieser Netzspannung UN, also #pP + #N = #pS. Im eng vermasehten Netz ist die Netzreaktanz XE klein gegenüber der synchronen Reaktanz xD der Maschine, so dass die Klemmenspannung Uh annähernd gleich der Netzspannung UN in vielen Fällen gesetzt werden kann. Die statische Stabilitätsgrenze liegt bei Vollpolmaschinen bei #s = 90 , bei Schenkelpolmaschinen bei etwa 1000.
Wie durch theoretische Untersuchungen und praktische Versuche nachgewiesen worden ist, kann eine Synchronmaschine bei Anwendung eines Spannungsschnellreglers über die statische Stabilitätsgrenze hinaus bis zur dynamischen Stabilitätsgrenze betrieben werden, ohne ausser Tritt zu fallen. Da bei wachsendem Stabilitätswinkel die Klemmenspannung ansteigt, so regelt der Spannungsregler die Erregung herunter. Hierdurch wird die Polradspannung verkleinert, aber der Stabilitätswinkel weiter vergrössert, so dass die Gefahr des Aussertrittfallens wächst. Es muss also eine Zusatz- einrichtung vorgesehen werden, welche bei einer Überschreitung der statischen Stabilitätsgrenze die Spannungserniedrigung verhindert. Es sind nun Schaltungen bekanntgeworden, bei denen die Mindesterregung, von Synchronmaschinen begrenzt wird.
Es wird hierfür eine Messgrösse verwendet, welche durch die Vektorsumme zweier Spannungen gebildet wird. Bei Erreichen des statischen Stabilitätswinkels von 900 wird diese Vektorsumme Null, wodurch der Spannungsregler derart beeinflusst wird, dass er nicht weiter herunterregelt. Es werden bei dieser Anordnung die Spannung UN und der Spannungsabfall des Stromes 1 in der synchronen Reaktanz xD und der Netzreaktanz XE miteinander nach der Gleichung verglichen:
1 (xD + XE) cos e -UN, wobei z9 der Winkel zwischen dem Spannungsabfall in den Reaktanzen und der Netzspannung ist (Fig. 1). Hierbei ist zwar der Stabilitätswinkel von 900 richtig festzustellen. Es ist aber nicht möglich, die Grösse der Abweichung vom Stabilitätswinkel richtig zu ermitteln. Wenn der Winkel grösser oder kleiner als qgs ist, dann entsteht eine Differenzspannung, welche nicht proportional dem Stabilitätswinkel ist. Dadurch ist es nicht möglich, den Ansprechwinkel für die Zusatzeinrichtung auf einen anderen Wert als 900 einzustellen.
Man kann zwar den Regler in der richtigen Richtung betätigen, aber die Regelgrösse nicht eindeutig erfassen. Diesen Nachteil soll die Anordnung nach der Erfindung vermeiden. Erfindungsgemäss wird vorgeschlagen, zur Feststellung des Stabilitätswinkels ein Winkelmesssystem zu verwenden, das beim Überschreiten des Stabilitätswinkels seinen Drehsinn umkehrt und einen vom Phasenwinkel zwischen der Polradspannung und der Netzspannung abhängigen Geber betätigt, der den Spannungsregler beeinflusst.
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Als Winkelmesssystem kann beispielsweise ein Ferraris-Messwerk verwendet werden, dem die Polradspannung E und die Spannung eines bestimmten Punktes im Netz UN zugeführt wird.
Die Fig. 2 stellt das Schema eines entsprechenden Ausführungsbeispieles nach der Erfindung dar. Eine Synchronmaschine l speist ein Dreiphasennetz RST. Als Messgrössen stehen die Klemmenspannung UK und der Strom I zur Verfügung. Das Ferraris-Messsystem 3 entwickelt ein Drehmoment MD = Il I2 sin #12K, das heisst bei gleich- oder gegenphasigen Strömen in den zugehörigen Wicklungen wird das DrehmomentNull. Es muss also in der Schaltung eine getreue Abbildung der Polradspannung E und der Netzspannung U nach Grösse und Richtung derart vorgenommen werden, dass bei dem Stabilitätswinkel die Ströme Il, I2 gleich- oder gegenphasig werden. Der zu erfassende Grenzwinkel ist dann durch Umkehr des Drehmomentes im Mess- werk gekennzeichnet.
Bei Änderung des Stabilitätswinkels soll eine Regelgrösse entstehen, welche sich proportional mit dem Sinus des Stabilitätswinkels ändert. Um dies zu erreichen, werden die Polrad- und Netzspannung als Messgrösse herangezogen. Sie werden dem Ferraris-System so zugeführt, dass ihr Produkt Null wird, wenn sie miteinander einen Winkel cpl2 gleich dem Stabilitätswinkel cps bilden; die Polradspannung E wird aus der Klemmenspannung UK, welche aus dem Spannungswandler 2 gewonnen wird, und dem Spannungsabfall des Stromes in einer Ersatzimpedanz gleich der synchronen Reaktanz des Generators zusammengesetzt.
Es wird eine Sternspannung, beispielsweise die Klemmenspannung UK der Phase S, welche mit UKs bezeichnet wird, mit dem Spannungsabfall des Dreieckstromes ITR, welcher über die Stromwandler 4 und 5 im Widerstand 7 (RxD) gebildet wird, zusammengesetzt. Dieser Spannungsabfall JTR RxD ist phasengleich mit dem Spannungsabfall des Stromes JS in der synchronen Reaktanz XD. Daher ist JTR RxD ein Abbild des wirklichen Spannungsabfalles im Generator. Die vektorielle Summe dieser beiden Spannungen, also UKSs-jITR RxD bildet daher die Polradspannung E ab. Sie wird den Wicklungen 31 und 32 des Ferraris- Gliedes zugeführt. Zur Gewinnung der Netzspannung UN kann ebenfalls die Klemmenspannung UK benutzt werden. Es wird aber die Sternspannung UKTR gewählt, weil diese Spannung senkrecht auf der Spannung UKSs steht.
Hierdurch wird erreicht, dass bei einem Polradwinkel 0 beide Spannungen senkrecht zueinander stehen, also das Ferraris-System maximales Drehmoment MD hat. Es wird ferner der Strom IS gewonnen und dieser über dem Wandler 6 dem Widerstand 8 (RxE) zugeführt, dessen Wert der Netzreaktanz XE bis zu dem Punkte entspricht, dessen Spannung der Regeleinrichtung zugeführt werden soll. Es liegt also an den Wicklungen 33 und 34 des Ferraris-Systems die vektorielle Summe UKTR jISRxE = UN. Auf diese Weise wird erreicht, dass bei einem Stabilitätswinkel von 90 die beiden in den Spulen fliessenden Ströme Il, 1z gleich- oder entgegengesetzt gerichtet sind, also einen Winkel von 0 oder 180 haben.
In diesem Fall ist das Drehmoment Null und das Ferraris-System kippt in die andere Drehrichtung um. Die Einrichtung ist nun so getroffen, dass bei Stabilitätswinkeln kleiner als 90 keine Betätigung erfolgt, während bei Winkeln über 90 der Widerstand 10 verstellt wird, welcher mit dem Einstellwiderstand 12 des Spannungsschnellreg- lers 11 in Reihe liegt. Der Widerstand 10 ist im Beispiel durch einen Wälzsektor 13 veränderbar gemacht, welcher mit dem Drehsystem des Messwer- kes 3 gekuppelt ist. Je nach der Stärke der Auslenkung des Ferraris-Systems wird der Widerstand mehr oder weniger verstellt. Durch diese Massnahme wird die Spannung am Regler 11 herabgesetzt, so dass der Regler die Tendenz erhält, die Spannung höher zu regeln.
Dadurch wird erreicht, dass beim Überschreiten des Stabilitätswinkels die Polradspan- nung so lange erhöht wird, bis die Stabilitätsgrenze wieder unterschritten wird, dann arbeitet der Spannungsregler wieder normal.
Ein besonderer Vorteil der gewählten Anordnung ist, dass es bei der Wahl der genannten Messgrössen möglich ist, den verlangten Ansprechwinkel und die Impedanzen in weiten Grenzen einstellen zu können. Die Ersatzimpedanzen 7 und 8 können verstellt werden. Die Drehwiderstände 9 ändern die Höhe des Ansprechwinkels. Der Winkel zwischen den dem Ferraris-System zugeführten Strömen entspricht nur dann dem verlangten Stabilitätswinkel, wenn die Impedanzwinkel in den Kreisen beider Mess- grössen gleich sind.
Will man also den verlangten Ansprechwinkel ändern, so müssen beide Kreise zugleich verstellt werden, und zwar sind beide Widerstände gegensinnig zu verändern, um einen anderen Ansprechwinkel wie 90 zu erhalten.
In der Fig. 3 ist eine weitere Zusatzordnung beschrieben, welche eine stromabhängige, zusätzliche Grösse in den Messkreis einführt. Dies ist nötig, wenn man die Auslenkung des Drehsystems der Ansprechwinkelüberschreitung proportional machen will. Diese Abhängigkeit entspricht der Statik eines üblichen Reglers. Sie wird durch eine zweite Kontaktbahn 14 erhalten, welche gleichzeitig mit dem Sektor 13 betätigt wird. Der zweite Sektor wird von der Sternspannung Us über einen Einstellwiderstand 15 gespeist. Je nach der Auslenkung wird eine höhere oder niedrige Spannung über den Wand- ler 16 in den Kreis für die Messung der Polradspannung eingespeist.
In der Endlage des Sektors ist die am Wandler 16 entstehende Spannung Null. Spricht der Regler an, so wird die Spannung grösser. Da diese Zusatzspannung U7 senkrecht zur Polradspannung steht, wird hierdurch die resultierende Spannung verdreht. Damit wird das Drehmoment kleiner, als der Überschreitung des Stabilitätswinkels entspricht. Durch Verändern des Einstellwiderstandes 15 kann die Statik verändert werden.
Die vorgeschlagene Anordnung hat den Vorteil, dass die Auslenkung des Messgliedes weiter ausge-
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nützt werden kann, indem eine Statik geführt wird, welche den Regelkreis stabiler macht als bei den bekannten Ausführungen. Ferner ist eine Einstellung des Ansprechwinkels möglich, so dass auch Stabilitätswinkel berücksichtigt werden können, welche grösser oder kleiner als 90 sind. Hiermit kann man also auch Schenkelpolmaschinen besser ausnützen, bei denen der Stabilitätswinkel etwa 100 ist.