Selbstregelnder Drehstrom-Synchrongenerator Der selbstregelnde Wechselstromgenerator ist seit der Jahrhundertwende in zahlreichen Variationen be züglich seiner Schaltung und Kon#struktion bekannt und wurde für nichtstationäre Anlagen, Notstromsätze und der gleichen, kurz für alle Anlagen, die prak tisch wartungsfrei und in keiner Weise störanfällig sein sollen, entwickelt.
Als Vorteil ist bekannt, dass die vielfach verwendete Stromkompoundierung den selbst regelnden Generator besonders gut überlastungsfähig macht, so dass die direkte Einschaltung von relativ grossen Kurzschlussankermotoren, was ohne eine Selbstregelung zu wesentlichen Spannungseinbrüchen führt, ohne bleibende Spannungsänderung beherrscht werden kann.
Mit der Einführung von Schnellreglern wurde die automatische Konstanthaltung der Spannung im all gemeinen zwar sehr gut beherrscht, jedoch zeigt sich, dass besonders bei kleineren Generatoren, die oft grossen Belastungsstössen unterworfen sind, der vor übergehende Spannungsabfall zu lange andauert, oder die mechanische Beanspruchung des Reglers uner wünscht ist, oder bei kleinen Einheiten eine sehr hoch wertige Erreger- und Regelungseinrichtung preislich nicht tragbar ist, so dass eine einfache Selbstregelungs- einrichtung grosse Vorteile bietet, und deren Einfüh rung in steigendem Masse erfolgte.
Es sind zwei Gruppen von selbstregelnden Maschi nen bekannt, vovon die erste bereits seit Jahrzehnten eingeführt ist und die Schaltungen nach dem Prinzip der Kompoundierung mittelst rotierenden, vorzugs weise in die Maschine eingebauten Einrichtungen um- fasst. Die zweite Gruppe ist in den letzten Jahren häufig, beispielsweise für die genügende Spannungs haltung der elektrischen Netze auf Schiffen, zur An wendung gekommen und erfasst die Kompoundierungs- schaltungen mit Hilfe ruhender Apparate wie Trans formatoren und Gleichrichter, die in der Maschine ein- gebaut oder getrennt aufgestellt werden.
Diese letztere Gruppe wird häufig ergänzt durch statisch wirkende Spannungsregler, wobei solche Anlagen dann aber über den Begriff selbstregelnde Generatoren hinaus gehen. Mit den vorgenannten Lösungen wird ohne eigentliche Regler eine genügende Spannungskonstanz erreicht, die unter günstigen Voraussetzungen, wie nicht zu grosse Temperaturschwankungen, konstante Drehzahl usw., etwa 1-2% betragen kann.
Häufig wird auch eine gewisse Überkompoundierung vorgesehen, welche die natürliche Spannungsänderung bei Dreh zahlabfall infolge erhöhter Last kompensiert, so dass auch bei kleinen Drehzahländerungen die Spannung in den Grenzen von etwa 2% konstant bleibt. Beide Gruppen erfordern jedoch schleifende Kon takte, die erstere Gruppe Kollektoren und Schleifringe, die zweite Gruppe nur Schleifringe und es besteht daher ein steigendes Bedürfnis, diese Teile der An lage, die einer gewissen Wartung bedürfen, zu ver meiden.
Gegenstand der Erfindung ist nunmehr ein selbstregelnder Drehstrom-Generator mit Erregerma schine für die Konstanthaltung der Spannung, der über mitrotierende Gleichrichter erregt wird, und bei welchem keine schleifende Kontakte benötigt werden.
Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass ein getrennt angeordneter stromkopoundierter Frequenzwandler vorgesehen ist, dessen Rotor sich auf der Welle des Generators befindet und eine Spannung für die Ausbildung einer Erregung geringer Welligkeit erzeugt, und der im Stator des Frequenzwandlers zwei entsprechend der vektoriellen Zusammensetzung von Leerlauf und Zusatzdurchflutung verschobene Drei- phasenwicklungen aufweist,
von denen die eine die Spannungswieklung für die Leerlauferregung und die andere die Stromwicklung für die leistungsfaktor- und strornabhängige Zusatzerregung darstellen und damit eine leistungsfaktor- und lastunabhängige Ausgangs spannung bewirken.
Anhand der Zeichnung sei die Erfindung näher erläutert und zwar zeigt die Fig. <B>1</B> schematisch als Aus führungsbeispiel ein selbstregelnder Drehstromgene rator.
Der Synchrongenerator <B>1</B> besitzt im wesentlichen den bekannten Aufbau eines Schleifringankermotors. Der Rotor<B>3</B> ist dreiphasig gewickelt, wobei zwei Pha sen für die Erregung und eine kurzgeschlossene Phase 4 für die Ausbildung einer Dämpferwirkung benutzt werden. Die Dreiphasenwicklung ist derart ausgebildet, dass sich bei Anschluss zweier Phasen an Gleichstrom ein symmetrisches, den Polen entsprechendes Gleich feld ergibt.
Der Stator <B>5</B> besitzt eine normale Dreipha- senwicklung. Auf der Rotorwelle befinden sich drei Gleichrichter<B>6,</B> die mit der Dreiphasen-Rotorwicklung eines auf derselben Welle angeordneten Frequenz- wandlers 2 verbunden sind und somit mitrotieren. Die ser Frequenzwandler 2 hat den Zweck, die für die Erregung benötigte Leistung transformatorisch von der Primärseite zu erzeugen.
Der Rotor<B>7</B> des Frequenz- wandlers läuft gegen das Drehfeld des Stators <B>8</B> und liefert demnach eine Spannung mit einer Frequenz von beispielsweise 200 Hz. Der Stator <B>8</B> des Frequenz- wandlers 2 besitzt zwei Dreiphasenwicklungen, wovon die eine als Spannungswicklung 8a vom Ausgang des Synchrongenerators <B>1</B> über Drossel oder Festwiderstän de<B>10</B> gespeist wird.
Hierdurch wird die Leerlauferre- gung im Rotor<B>3</B> des Generators über die Gleichrich ter<B>6</B> erzeugt. Die zweite Statorwicklung <B>8b</B> des Fre- quenzwandlers stellt eine Stromwicklung dar, die bei spielsweise in Reihe mit den drei Phasen der Dreh- stromwicklung <B>5</B> des Synchrongenerators <B>1</B> liegt.
Diese Stromwicklung<B>8b</B> bewirkt über den Rotor des Frequenzwandlers <B>7</B> und die Gleichrichter<B>6</B> eine strombhängige, <B>d.</B> h. lastabhängige Verstärkung der Erregung im Rotor<B>3</B> des Generators <B>1.</B> Um eine zudem vom Leistungsfaktor abhängige Regelung zu erhalten, wird die Stromwicklung<B>8b</B> zu der Spannungswicklung 8a in einem elektrischen Winkel von<B>90'</B> versetzt, so dass die infolge der vektoriellen Zusammensetzung der Leerlauf- und Zusatzdurchflutung sich ergebende Kom ponente eine leistungsfaktor- und lastabhängige Erre gung bewirkt.
Infolge dieser Massnahmen ist die Spannungskonstanz des Generators <B>1</B> von Leistungs abgabe und Leistungsfaktor unabhängig.
Durch die Verwendung der rotierenden Gleichrich ter<B>6</B> einerseits und durch das geschilderte Kompoun- dierungsverfahren andererseits ergibt sich ein sehr vor teilhafter selbstregelnder Drehstromgenerator. Um eine günstige Selbsterregungsfähigkeit zu gewährleisten, kann der Rotor<B>3</B> des Synchrongenerators <B>1</B> aus einem Material hoher Koerzitivkraft beispielsweise Stahlblech hergestellt werden, während die Dämpferwirkung der kurzgeschlossenen dritten Phase 4 der Rotorwicklung <B>3</B> einer Entmagnetisierung bei Kurzschlüssen entgegen wirkt.
Bei Verwendung von Gleichrichtern genügender Spannungsfestigkeit kann der Generator als kurz- schlussfest angesehen werden. Bei der beschriebenen Anordnung kann, soweit es in besonderen Fällen erwünscht ist, eine einmalige prüffeldmässige Einstellung der Spannung erfolgen, wobei dann aber die Drosseln bzw. Widerstände<B>10</B> in den Zuleitungen der Spannungswicklung 8a des Fre- quenzwandlers einstellbar gemacht werden, um die Leerlauferregung ändern zu können.
Durch eine axiale Verschiebung des Rotors<B>7</B> gegenüber dem Stator <B>8</B> des Frequenzwandlers 2 ist noch zusätzlich eine ge wisse Möglichkeit gegeben, die Einstellung der Leer lauf- und Zusatzerregung zu verändern.
In der Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht, das nicht nur bezüglich der Speisung der Stromwicklung des Frequenzwand- lers von der Anordnung nach Fig. <B>1</B> unterscheidet. In der Fig. 2 sind die gleichen Elemente wie in der Fig. <B>1</B> mit den gleichen Bezugszahlen versehen. Die Strom wicklung<B>8b</B> des Frequenzwandlers 2 wird aber in diesem Falle Tig. 2) von aussenliegenden Strom wandlern<B>9</B> gespeist, die mit Anzapfungen versehen sind.
Mit diesem Stromwandler<B>9</B> ist es dann möglich, auch die Einstellung der Zusatzerregung durch eine Änderung des Kompoundierungsgrades zu beeinflus sen, wobei diese Massnahme noch zusätzlich zu der in Zusammenhang mit der Fig. <B>1</B> erwähnten Veränderung der Erregung möglich ist.
In solchen Fällen, wo mehrere Generatoren in Pa rallelbetrieb laufen sollen, ist die Anordnung gemäss Fig. 2 sehr vorteilhaft, da durch die Einstellung der Stromwandler<B>9</B> ein Kompoundierungsgrad erreicht werden kann, der eine etwas geneigte Spannungs charakteristik zur Folge hat.
Obwohl bei den beschriebenen Ausführungsbei spielen der Drehstrom-Synchrongenerator wie eine Asynchronmaschine mit gewickeltem Rotor ausgeführt ist, kann der Generator auch eine Schenkelpolma- schine sein.
Self-regulating three-phase synchronous generator The self-regulating alternating current generator has been known in numerous variations in terms of its circuit and construction since the turn of the century and was used for non-stationary systems, emergency power sets and the like, in short for all systems that should be practically maintenance-free and in no way prone to failure , developed.
It is known as an advantage that the frequently used current compounding makes the self-regulating generator particularly capable of overloading, so that the direct activation of relatively large squirrel-cage armature motors, which without self-regulation leads to significant voltage drops, can be mastered without permanent voltage changes.
With the introduction of high-speed regulators, the automatic maintenance of the voltage was generally very well mastered, but it has been shown that especially with smaller generators, which are often subject to large load surges, the transient voltage drop lasts too long, or the mechanical stress on the regulator is undesirable, or in the case of small units, a very high-quality excitation and control device is not affordable, so that a simple self-control device offers great advantages, and its introduction has taken place increasingly.
Two groups of self-regulating machines are known, the first of which has already been introduced for decades and comprises circuits based on the principle of compounding by means of rotating devices that are preferably built into the machine. The second group has been used frequently in recent years, for example for maintaining sufficient voltage in the electrical networks on ships, and records the compounding circuits with the help of static devices such as transformers and rectifiers that are built into the machine or be set up separately.
This latter group is often supplemented by static voltage regulators, although such systems then go beyond the term self-regulating generators. With the aforementioned solutions, sufficient voltage constancy is achieved without an actual regulator, which under favorable conditions, such as temperature fluctuations that are not too great, constant speed, etc., can amount to about 1-2%.
Often a certain overcompounding is provided which compensates for the natural voltage change in the event of a drop in speed due to increased load, so that the voltage remains constant within the limits of about 2% even with small changes in speed. However, both groups require sliding contacts, the former group collectors and slip rings, the second group only slip rings and there is therefore an increasing need to avoid these parts of the system that require a certain maintenance.
The invention is now a self-regulating three-phase generator with Erregerma machine for keeping the voltage constant, which is excited by rotating rectifier, and in which no sliding contacts are required.
According to the invention, this is achieved in that a separately arranged current-coupled frequency converter is provided, the rotor of which is located on the shaft of the generator and generates a voltage for the formation of an excitation low ripple, and the two in the stator of the frequency converter according to the vectorial composition of No-load and additional flow has shifted three-phase windings,
One of them represents the voltage amplification for the no-load excitation and the other represents the current winding for the power factor and current-dependent additional excitation and thus results in an output voltage that is independent of the power factor and load.
The invention will be explained in more detail with reference to the drawing, specifically FIG. 1 shows schematically as an exemplary embodiment a self-regulating three-phase generator.
The synchronous generator <B> 1 </B> essentially has the known structure of a slip ring armature motor. The rotor <B> 3 </B> is wound in three phases, two phases being used for the excitation and a short-circuited phase 4 for the development of a damping effect. The three-phase winding is designed such that when two phases are connected to direct current, a symmetrical direct field corresponding to the poles results.
The stator <B> 5 </B> has a normal three-phase winding. On the rotor shaft there are three rectifiers <B> 6 </B> which are connected to the three-phase rotor winding of a frequency converter 2 arranged on the same shaft and thus rotate with it. This frequency converter 2 has the purpose of generating the power required for the excitation transformer from the primary side.
The rotor <B> 7 </B> of the frequency converter runs against the rotating field of the stator <B> 8 </B> and accordingly supplies a voltage with a frequency of, for example, 200 Hz. The stator <B> 8 </ B > of the frequency converter 2 has two three-phase windings, one of which is fed as a voltage winding 8a from the output of the synchronous generator <B> 1 </B> via a choke or fixed resistor <B> 10 </B>.
This generates the no-load excitation in the rotor <B> 3 </B> of the generator via the rectifier <B> 6 </B>. The second stator winding <B> 8b </B> of the frequency converter represents a current winding which, for example, is in series with the three phases of the three-phase winding <B> 5 </B> of the synchronous generator <B> 1 </ B > lies.
This current winding <B> 8b </B> causes a current-dependent, <B> d. </B> h, via the rotor of the frequency converter <B> 7 </B> and the rectifier <B> 6 </B>. load-dependent amplification of the excitation in the rotor <B> 3 </B> of the generator <B> 1. </B> In order to obtain a regulation that is also dependent on the power factor, the current winding <B> 8b </B> becomes the voltage winding 8a offset at an electrical angle of <B> 90 '</B>, so that the component resulting from the vector composition of the no-load and additional flow causes a power factor and load-dependent excitation.
As a result of these measures, the voltage constancy of the generator <B> 1 </B> is independent of power output and power factor.
The use of the rotating rectifier 6 on the one hand and the compounding method described on the other hand results in a very advantageous self-regulating three-phase generator. In order to ensure a favorable self-excitation capability, the rotor <B> 3 </B> of the synchronous generator <B> 1 </B> can be made of a material with high coercive force, for example sheet steel, while the damping effect of the short-circuited third phase 4 of the rotor winding <B > 3 </B> counteracts demagnetization in the event of short circuits.
If rectifiers with sufficient dielectric strength are used, the generator can be regarded as short-circuit-proof. With the arrangement described, a one-time test field setting of the voltage can take place, if desired in special cases, but then the chokes or resistors in the supply lines of the voltage winding 8a of the frequency converter are made adjustable to be able to change the no-load excitation.
An axial displacement of the rotor <B> 7 </B> with respect to the stator <B> 8 </B> of the frequency converter 2 also provides a certain possibility of changing the setting of the idle and additional excitation.
FIG. 2 illustrates a further exemplary embodiment of the invention which differs from the arrangement according to FIG. 1 not only with regard to the supply of the current winding of the frequency converter. In FIG. 2, the same elements as in FIG. 1 are provided with the same reference numbers. The current winding <B> 8b </B> of the frequency converter 2 is in this case Tig. 2) fed by external current transformers <B> 9 </B> which are provided with taps.
With this current transformer 9 it is then possible to also influence the setting of the additional excitation by changing the degree of compounding, this measure being in addition to that in connection with FIG. 1 > the change in excitation mentioned is possible.
In those cases where several generators are to run in parallel, the arrangement according to FIG. 2 is very advantageous, since the setting of the current transformers <B> 9 </B> enables a degree of compounding to be achieved that has a somewhat inclined voltage characteristic Consequence.
Although the three-phase synchronous generator is designed like an asynchronous machine with a wound rotor in the exemplary embodiments described, the generator can also be a salient pole machine.