Synchrongenerator mit Selbsterregung Die vorliegende Erfindung betrifft einen Syn chrongenerator mit Selbsterregung.
Um bei einem Synchrongenerator eine rotierende Erregermaschine zu vermeiden, ist es bekannt," die Feldwicklung an einen Gleichrichter anzuschliessen, der mit einem Teil der vom Generator selbst erzeug ten Wechselstromenergie gespeist wird. Zur Aufrecht erhaltung der Erregung auch bei Kurzschluss oder bei sehr grosser Belastung des Generators wird dabei gewöhnlich wenigstens ein Teil der erforderlichen Erregungsenergie Stromwandlern entnommen, deren Primärwicklungen von dem Belastungsstrom des Ge- nerators beeinflusst sind.
Bei Kurzschluss des Genera- tors verursachen indessen diese Stromwandler grosse elektrische Beanspruchungen des Gleichrichters, wo bei es schwierig ist, den Gleichrichter zu schützen, besonders wenn der Gleichrichter aus Germanium- oder Siliziumventilen besteht. Da die Erregungsein richtung bei diesen bekannten Ausführungen eine oder gewöhnlich mehrere Dreiphasengruppen von Stromwandlern, einen mehrphasigen Gleichrichter und daneben gewöhnlich auch eine Anzahl Drossel spulen und einen Spannungsregler enthalten muss, wird die Erregungseinrichtung überdies sowohl raum fordernd als auch teuer.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist, eine Erregungseinrichtung für einen selbsterregten Syn chrongenerator zu schaffen, die bei Kurzschluss und grosser Belastung des Generators die Erregung auf rechterhält, ohne dass der Gleichrichter unzulässigen elektrischen Beanspruchungen ausgesetzt ist. Ein wei terer Zweck der Erfindung ist, eine Erregungsein richtung zu erhalten, die keine oder nur eine kleine Anzahl Strom- und Spannungswandler enthält und die auch im übrigen aus so wenigen und so einfachen Komponenten wie möglich besteht.
Die Erfindung ist nun dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Synchrongenerator mit Selbsterregung, 'bei dem wenigstens bei Kurzschluss des Generators eine zusätzliche Erregerkomponente mit einer von der Haupterregung abweichenden grösseren Frequenz erzeugt wird, mindestens die von dieser zusätzlichen Erregerkomponente in einer in dem Anker des Gene- rators liegenden Wicklung induzierte Spannung einem Gleichrichter zur Speisung der Feldwicklung des Generators zugeführt wird.
Die Erfindung erlaubt, eine zufriedenstellende Erregung auch bei Kurzschluss des Generators zu erreichen, ohne Verwendung von Stromwandlern, die unzulässige elektrische Beanspruchungen der Erre gungsgleichrichter verursachen können. Dass die Fre quenz der zusätzlichen Erregungskomponente grösser als die Frequenz der Haupterregung gewählt ist, hat zur Folge, dass der Regler, der gewöhnlich zur Rege lung der Grösse der Erregung erforderlich ist, kleiner wird.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand ver schiedener beispielsweiser Ausführungsformen, die in der beigefügten Zeichnung dargestellt sind, beschrie ben, wobei Fig. 1 einen Synchrongenerator zeigt mit einem normalen, an und für sich bekannten Erre gungsgleichrichter, der an die Hauptwicklung des Generators angeschlossen ist, und ausserdem mit einer Einrichtung nach der Erfindung zur Aufrechterhal tung der Erregung bei Kurzschluss des Generators.
Fig. 2 zeigt einen Synchrongenerator nach der Erfin dung, bei welchem die Spannung, die von einer zusätzlichen Erregerkomponente in der Ankerhaupt wicklung des Generators induziert wird, für die Erregung des Generators während aller Betriebsver hältnisse verwendet wird. Fig. 3 zeigt einen Syn chrongenerator nach der Erfindung mit einer drei- phasigen Hilfswicklung im Anker zur Speisung der Feldwicklung. Fig. 4 zeigt einen Synchrongenerator nach der Erfindung mit einer einphasigen Anker hilfswicklung und einem Transduktorregler zur Re gelung der Grösse der Erregung.
Fig. 5 zeigt einen Synchrongenerator mit einer einphasigen Ankerhilfs- wicklung und einen Erregungsgleichrichter, der an die Hilfswicklung in Reihe mit der Ankerhauptwick- lung des Generators angeschlossen ist, und Fig. 6 zeigt noch eine Einrichtung, bei der die Spannung, die die zusätzliche Erregerkomponente in der Anker hauptwicklung des Generators induziert, zur Speisung der Feldwicklung verwendet wird.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt einen Synchrongenerator mit einem Stator 1 und einem Rotor 2. Der Stator 1 weist eine normale dreiphasige Ankerhauptwicklung 3 auf, die an die Ausgangsklemmen R, S, T des Generators angeschlossen ist. Der Rotor 2 ist mit einer an sich bekannten Feldwicklung 4 versehen. In normalem Betrieb wird die Feldwicklung 4 in an sich bekannter Weise von einem dreiphasigen Gleichrichter 5 ge speist, der an die Phasenklemmen der Ankerhaupt wicklung 3 angeschlossen ist. Bei Kurzschluss der Ankerhauptwicklung 3 verschwindet indessen die Speisespannung des Gleichrichters 5 und die Erre gung würde deshalb normalerweise wegfallen.
Um die Erregung auch bei Kruzschluss des Generators auf rechtzuerhalten, ist der gezeigte Generator nach der Erfindung mit einem zusätzlichen einphasigen Gleich richterzweig 6 versehen, der an den Sternpunkt der Hauptwicklung 3 angeschlossen ist. Bei Kurzschluss hat die Erregung wegen der Ankerrückwirkung einen erhöhten Oberwellengehalt, und diese Oberwellen induzieren Oberwellenspannungen ungerader Ord nungszahl zwischen den Phasenklemmen und dem Sternpunkt der Ankerhauptwicklung 3, welche Ober wellenspannungen mittels des Gleichrichters 6 gleich gerichtet werden und folglich die Feldwicklung 4 beim Kurzschluss speisen.
Durch Variation der Form der Polschuhe des Generators kann die Grösse dieser Oberwellenspannungen auf einen zweckmässigen Wert eingestellt werden. Den Polschuhen kann auch eine solche Form gegeben werden, dass auch in nor malem Betrieb genügend grosse Oberwellenspannun- gen für die Erregung des Generators entstehen. Es wird den Polschuhen zweckmässig eine solche Form gegeben, dass die Erregung eine ausgeprägte dritte Oberwelle mit einem solchen Phasenverhältnis zur Grundfrequenz der Erregung enthält, dass das nega tive Maximum der dritten Oberwelle gleichzeitig mit dem positiven Maximum der Grundfrequenz eintritt. Wegen der Ankerreaktion wird bei Belastung und bei Kurzschluss des Generators die dritte Oberwelle verstärkt.
Fig. 2 zeigt einen Synchrongenerator nach der Erfindung, bei dem Oberwellenspannungen während aller Betriebsverhältnisse verwendet werden. Der Sta- tor 1 ist mit einer üblichen Ankerhauptwicklung 3 versehen, die an die Ausgangsklemmen R, S, T des Generators angeschlossen ist. Der Rotor 2 besitzt eine Feldwicklung 4, und die Polschuhe der Pole sind derart ausgebildet, dass die Erregung eine aus geprägte Oberwelle, vorzugsweise die dritte, enthält.
Die Oberwellen der Erregung induzieren in der Ankerhauptwicklung drei Oberwellenspannungen, die zwischen dem Sternpunkt der Ankerhauptwick- lung 3 und dem Sternpunkt einer sterngeschalteten, kapazitiven, an den Ausgangsklemmen R, S, T der Ankerhauptwicklung 3 angeschlossenen Dreiphasen belastung 7 abgenommen und dem Gleichrichter 8 zur Speisung der Feldwicklung 4 zugeführt werden.
Anstatt die Oberwellenspannungen für die Erre gung von der Ankerhauptwicklung des Generators abzunehmen, was in gewissen Fällen ungünstig sein kann, kann der Anker des Generators, wie Fig. 3 zeigt, mit einer Hilfswicklung versehen werden, die eine Polzahl hat, die der Frequenz entspricht, die die zusätzliche Erregerkomponente haben soll.
Fig. 3 zeigt einen solchen Synchrongenerator mit einem Stator 1 und einem Rotor 2. Der Stator ist mit einer normalen dreiphasigen Ankerhauptwick- lung 3 versehen, die an die Ausgangsklemmen <I>R, S, T</I> des Generators angeschlossen ist. Der Stator ist ausserdem mit einer dreiphasigen Hilfswicklung 9 versehen, die eine andere Polzahl als die Ankerhaupt wicklung 3 hat. Die Hilfswicklung 9 ist durch einen Regler 10 an einen Dreiphasengleichrichter 11 angeschlossen, dessen Gleichstromseite an die Feld wicklung 4 des Generators angeschlossen ist. Der Regler 10 kann ein beliebiger bekannter Typ sein, z.
B. ein Transduktorregler, und hat zur Aufgabe, den von der Hilfswicklung 9 zum Gleichrichter 11 fliessenden Strom im Verhältnis zu der Spannung zwischen den Phasen S und T der Ankerhauptwick- lung 3 des Generators zu regulieren. Der Erregungs strom durch die Feldwicklung 4 wird im Verhältnis zu der abgegebenen Spannung des Generators derart geregelt, dass die Spannung annähernd konstant ge halten wird. Der Rotor 2 mit der Feldwicklung 4 ist so ausgeführt, z. B. in einer der vorher beschrie benen Weise, dass die Erregung des Generators eine Komponente mit derselben Frequenz wie die Anker hauptwicklung 3 und eine andere Komponente mit derselben Frequenz wie die Hilfswicklung 9 enthält.
Die Hilfswicklung 9 hat eine solche Polzahl im Ver hältnis zu der Ankerhauptwicklung 3, dass die Span nung der Hilfswicklung 9 und folglich die Speisung des Erregergleichrichters 4 auch bei Kurzschluss oder bei hoher Belastung des Generators aufrechterhalten wird.
Dadurch, dass die dritte Oberwelle der Grund erregung als zusätzliche Erregerkomponente verwen det wird, was, wie oben beschrieben, durch zweck mässige Form der Polschuhe erreicht werden kann, ergibt sich der Vorteil, dass die Leiterspannung der Ankerhauptwicklung 3 keine Oberwellenkomponente enthält, und weiter der Vorteil, dass die Hilfswick lung des Ankers ohne Gefährdung der Symmetrie der abgegebenen Leiterspannung des Generators ein- phasig ausgeführt werden kann, woraus folgt, dass sowohl der Erregungsgleichrichter als auch eventuelle Regler einphasig sein können und deshalb einfach und billig werden.
Fig. 4 zeigt einen Synchrongenerator mit einem Stator 1, einem Rotor 2 und einer im Stator lie genden dreiphasigen Ankerhauptwicklung 3, die an die Ausgangsklemmen R, S, T des Generators angeschlossen ist. Der Stator 1 ist indessen bei dieser Ausführungsform der Erfindung mit einer einphasi gen Hilfswicklung 12 versehen, die in Reihe mit einem selbsterregten Transduktor 13 an einen Ein phasengleichrichter 14 angeschlossen ist, dessen Gleichstromseite an die im Rotor 2 liegende Feld wicklung 4 angeschlossen ist.
Der Rotor 2 hat aus geprägte Pole, und die Polschuhe sind derart ge formt, dass die Erregung eine ausgeprägte dritte Ober welle enthält, mit einer solchen Phasenlage im Ver hältnis zur Grundwelle, dass sie bei Kurzschluss oder einer starken Belastung des Generators verstärkt wird. Die Hilfswicklung 12 hat eine dieser dritten Ober welle entsprechende Polzahl. Die dritte Oberwelle der Erregung verursacht, wie bekannt, keine entspre chende Oberwelle in der Leiterspannung der Anker hauptwicklung 3, da die Ankerhauptwicklung stern geschaltet ist.
Soll ein Nulleiter an den Generator angeschlossen werden, kann dies derart geschehen, dass der Nulleiter in Reihe mit der Hilfswicklung 12 an den Sternpunkt der Ankerhauptwicklung 3 an geschlossen wird, wie die gestrichelten Linien in Fig. 4 zeigen. Bei korrekter Polarität der Hilfswick lung 12 werden dabei die Spannungskomponenten der dritten Oberwelle in der Ankerhauptwicklung 3 und in der Hilfswicklung 12 einander kompensieren, so dass die Phasenspannungen zwischen den Aus gangsklemmen R, S, T des Generators und der Null klemme keine nennenswerte dritte Oberwelle enthal ten.
Der Transduktor 13 hat eine der Selbsterregung enggegenwirkende Steuerwicklung 15, die von einem Gleichrichter 16 gespeist wird, der in Reihe mit einer Drossel 17 an die Ausgangsklemmen R und S des Generators angeschlossen ist. Der Transduktor 13 ist auch mit einer mit der Selbsterregung mitwirken den Steuerwicklung 18 versehen, die von einem über die Hilfswicklung 12 angeschlossenen Gleichrichter 19 gespeist wird.
Der Transduktor 13 regelt folglich in bekannter Weise den Strom durch die Feldwick lung 4 derart, dass die abgegebene Spannung der Ankerhauptwicklung 3 auf einem solchen Wert gehal ten wird, dass die Ströme durch die Steuerwicklung 15 und 18 des Transduktors einander kompensieren. Da die Spannung über der Hilfswicklung 12 nicht völlig konstant und unabhängig von der Belastung des Generators ist, wird der Strom durch die Steuer wicklung 18 auch nicht konstant.
Der Strom durch die Steuerwicklung 15 wird folglich mit der Belastung des Generators etwas variieren, aber da dieser Strom von der abgegebenen Spannung der Ankerhauptwick- lung 3 mittels einer aus der Drosselspule 17 beste henden, nicht linearen Impedanz abgeleitet wird, ent- sprechen diese Variationen des Stromes nur sehr unbedeutenden Variationen in der Spannung der Ankerhauptwicklung 3. Die Einrichtung hat ausser dem den sehr grossen Vorteil, dass eine spezielle Konstantspannungsquelle zur Speisung der Steuer wicklung 18, was das normale Verfahren zur Steue rung des Transduktors wäre, nicht erforderlich ist.
In gewissen Fällen ist es vorteilhaft, einen Teil der Erregerenergie der Ankerhauptwicklung des Generators und einen anderen Teil von einer Hilfs wicklung zu entnehmen. Fig. 5 zeigt eine solche Ein richtung. Diese Einrichtung ist im wesentlichen iden tisch mit der in Fig. 4 gezeigten.
Die Hilfswicklung 12, die mit einer eine dritte Oberwelle der Erregung entsprechenden Polzahl ausgeführt ist, ist indessen in Reihe mit der Ankerhauptwicklung 3 derart geschaltet, dass die in der Hilfswicklung 12 von der dritten Oberwelle induzierte Spannung mit der von der dritten Oberwelle in der Ankerhauptwicklung induzierten Spannung zusammenwirkt. Weiter ist der die Feldwicklung 4 speisende Gleichrichter 14 in Reihe mit dem Transduktor 13 an die Reihenschal tung der Hilfswicklung 12 und der Phase R der Ankerhauptwicklung 3 angeschlossen.
Die mitwir kende Steuerwicklung 18 des Transduktors 13 wird auch von der Spannung über der Hilfswicklung 12 in Reihe mit der Phase R der Ankerhauptwicklung 3 gespeist, während die entgegenwirkende Steuerwick lung 15 durch eine gesättigte Drosselspule 17 von der Spannung zwischen den Phasen<I>S</I> und<I>T</I> der Anker hauptwicklung gespeist wird. Der Transduktor 13 arbeitet folglich in grundsätzlich derselben Weise wie in Fig. 4.
In normalem Betrieb wird der Gleich richter 14 bei der Einrichtung nach Fig. 5 von einer Komponente mit der Hauptfrequenz des Generators von der Ankerhauptwicklung 3 und ausserdem mit einer Komponente von der Hilfswicklung 12 und der Ankerhauptwicklung 3 gespeist, die eine der drit ten Oberwelle der Erregung entsprechende Frequenz hat, und deren Grösse von der Grösse der Belastung abhängig ist. Bei Kurzschluss des Generators ver schwindet indessen die Komponente mit der Grund frequenz, und der Gleichrichter 14 wird nur mit einer dritten Oberwellenkomponente gespeist.
Das Verhältnis zwischen den beiden dem Gleichrichter zugeführten Spannungskomponenten kann leicht da durch eingestellt werden, dass der Anschluss des Gleichrichters 14 an die Ankerhauptwicklung 3 an verschiedenen Punkten der Phasenwicklung R er folgt.
Fig. 6 zeigt noch eine Ausführungsform der Er findung, bei welcher der Feldwicklung sowohl eine der Grundwelle der Erregung entsprechende Kom ponente als auch eine einer dritten Oberwelle der Erregung entsprechende Komponente zugeführt wer den, indessen nur von der Ankerhauptwicklung des Generators.
Auch in diesem Fall ist also der Feld magnet des Generators so ausgebildet, dass er eine Erregung erzeugt, die eine ausgeprägte dritte Ober welle enthält, die Phasenspannungen entsprechender Frequenz in der Ankerhauptwicklung 3 des Genera- tors verursacht. Die Erregungseinrichtung besteht im wesentlichen aus drei Wandlern 20, 21 und 22. Die Wandler 20 und 21 sind mit ihren Primärwicklungen zwischen den Phasen S bzw. R und dem Sternpunkt der Ankerhauptwicklung 3 angeschlossen. Die Pri märwicklung des Wandlers 22 ist in Reihe mit den Sekundärwicklungen der Wandler 20 und 21 zwi schen der Phase T und dem Sternpunkt der Anker hauptwicklung angeschlossen.
Die Reihenschaltung ist so ausgeführt, dass die Grundwellen der Phasen spannungen einander zum Teil ausgleichen, so dass eine verhältnismässig kleine Spannung mit der Grund frequenz des Generators über der Sekundärwicklung des Wandlers 22 erreicht wird, während die dritten Oberwellen der Phasenspannungen zusammengesetzt werden, so dass eine grosse Spannung mit der Fre quenz der dritten Oberwelle über der Sekundärwick lung des Wandlers 22 erreicht wird. Diese Wicklung ist an einen die Feldwicklung 4 speisenden Gleich richter 23 angeschlossen, so dass der Feldwicklung 4 teils eine von der Grundwelle der Erregung herrüh rende Spannungskomponente und teils eine von der dritten Oberwelle der Erregung herrührende Span nungskomponente zugeführt wird.
Das Verhältnis zwischen den Grössen dieser beiden Spannungskom ponenten wird mit Hilfe der Umsetzung der Wandler 20, 21 und 22 leicht bestimmt.
Die oben beschriebenen Einrichtungen sind nur als Ausführungsbeispiele der Erfindung gegeben, und es gibt natürlich noch andere Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung.