-
Selbsterregter Wechselstromsynchrongenerator mit Dreileitersystem
Es sind Wechselstromsynchrongeneratoren mit einem Dreileitersystem bekannt, bei
denen zwischen den beiden Außenleitern die Größe der Spannung doppelt so hoch ist
wie die Spannung zwischen einem Außenleiter und einem Mittelleiter. Diese Wechselstromsynchrongeneratoren
benötigen für ihre Erregung eine zusätzliche Gleichspannungsquelle, z. B. eine Erregermaschine
oder eine Batterie und zur Spannungskonstanthaltung aufwendige mechanische Regeleinrichtungen,
die eine ständige Wartung erfordern. Hierdurch wird die Anlage wesentlich verteuert,
wenn nicht anderweitig eine Gleichstromquelle zur Verfügung steht.
-
Aus diesem Grunde wurden für Synchrongeneratoren, bei denen ähnliche
Probleme vorliegen, Selbsterregerschaltungen entwickelt, die keine zusätzlichen
Gleichstromquellen und keine mechanischen Regeleinrichtungen benötigen. Die bekannten
Selbsterregungsschaltungen wurden für Drehstrom- und Wechselstromgeneratoren entwickelt.
Eine Übertragung der genannten Schaltungen auf Wechselstromsynchrongeneratoren mit
zwei Außenleitern und einem Mittelleiter ist nicht möglich.
-
Die neue Schaltung für Wechselstromsynchrongeneratoren mit Dreileitersystem
gibt die Möglichkeit zur Selbsterregung und Selbstregelung. Ihr Wesen besteht darin,
daß ein Stromtransformator mit drei Primärwicklungen vorgesehen ist, von denen die
eine für die Grunderregung über eine Drosselspule an die zwei Außenleiter angeschlossen
ist, während für die lastabgängige Erregung im Zuge jedes Außenleiters zwei weitere
Primärwicklungen angeordnet sind, derart, daß bei Belastung eines oder beider Außenleiter
ein zusätzlicher zur Aufrechterhaltung der Nennspannung dienender Erregerstrom des
Generators auftritt.
-
Zur näheren Erläuterung wird auf die Zeichnung verwiesen; es zeigt
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Schaltung, Fig. 2 ein Diagramm für die Widerstandskennlinie
und die Magnetisierungskennlinie, Fig. 3 ein Vektordiagramm der Ströme im Transformator,
Fig. 4 die Abhängigkeit des Belastungsstromes vom Erregerstrom bei verschiedenen
Leistungsfaktoren (Regelkennlinien).
-
An die Ausgangsklemmen des Wechselstromsynchrongenerators 1 sind die
Außenleiter 2 und 3 sowie der Mittelleiter 4 angeschlossen. Im Zuge der Außenleiter
2, 3 sind zwei Primärwicklungen 6, 7 des Stromtransformators 5 angeordnet. Die dritte
Primärwicklung 8 ist mit den Außenleitern 2, 3 über die Drosselspule 9 verbunden.
Parallel zur dritten Primärwicklung 8 ist ein Kondensator 10 geschaltet. Die Sekundärwicklung
11 des Stromtransformators 5 ist an den Eingang einer Gleichrichteranordnung 12
gelegt, deren Ausgang mit der Erregerwicklung 13 des Wechselstromsynchrongenerators
1 verbunden ist. Sämtliche Wicklungen des Stromtransformators 5, also die Primärwicklungen
6, 7 und 8 und die Sekundärwicklung 11, sind auf einen Transformatorkern gewickelt.
-
Die Wirkungsweise der neuen Anordnung ist folgende: Wird der Wechselstromsynchrongenerator
durch eine Antriebsmaschine auf seine Nenndrehzahl gebracht, die der Nennfrequenz
proportional ist, so liegt an den Außenleitern 2, 3 und am Mittelleiter die Remanenzspannung
des Wechselstromsynchrongenerators 1. Diese Spannung hat in der Primärwicklung 8
einen Strom zur Folge, der seinerseits in der Sekundärwicklung 11 des Stromtransformators
5 eine Spannung induziert, die wiederum in der Gleichrichteranordnung 12 gleichgerichtet
wird, so daß ein ihr proportionaler Gleichstrom die Erregerwicklung 13 durchfließt.
Durch die Reihenschaltung der Drosselspule 9 mit dem Kondensator 10 wird eine Unterstützung
des Erregervorganges erzielt. Arbeitet nämlich der Wechselstromsynchrongenerator
mit Nennfrequenz und liegt die Resonanzfrequenz des Reihenschwingkreises aus der
Drosselspule 9 und dem Kondensator 10 bei dieser Frequenz, so entsteht Stromresonanz;
zugleich wird durch diesen Reihenschwingkreis bei Resonanz die Wiederstandserhöhung
der Erregerwicklung 13 durch Stromerwärmung ausgeglichen. Durch die Bemessung der
Drosselspule 9 wird die Steilheit der Erregergeraden und damit der Schnittpunkt
zwischen der Magnetisierungskennlinie des Wechselstromsynchrongenerators mit der
Erregergeraden
bestimmt. Durch diesen Schnittpunkt ist die Nennspannung
festgelegt. Die Drosselspule 9 arbeitet im normalen Betrieb nur im linearen Bereich
ihrer Magnetisierungskennlinie. Wird der Wechselstromsynchrongenerator mit zwei
Verbrauchern, die jeweils zwischen einen Außenleiter und dem Mittelleiter geschaltet
sind, belastet, dann würde eine Spannungserniedrigung an den Klemmen des Generators
auftreten, wenn nicht durch den Belastungsstrom in den Außenleitern, der die Primärwicklungen
6, 7 des Stromtransformators 5 durchfließt, eine zusätzliche Komponente in der Sekundärwicklung
erzeugt werden würde. Diese Komponente wird als Gleichstrom in die Erregerwirkung
13 des Generators übertragen und bewirkt; daß die Spannung konstant bleibt. Bei
unsymmetrischer Belastung des Dreileitersystems, z. B. dadurch, daß nur zwischen
den Außenleiter 2 und an den Mittelleiter 4 ein Verbraucher geschaltet ist, sinkt
zunächst die Spannung im Außenleiter 2 ab, während die Spannung im Außenleiter 3
leicht ansteigt.
-
In Fig. 2 ist auf der Ordinate die Spannung U und auf der Abszisse
der Erregerstrom Ie aufgetragen. Die Kurven 15 und 16 stellen zwei verschiedene
Erregergeraden dar, die Kurve 17 die Magnetisierungskennlinie des Wechselstromgenerators.
Die Steilheit der Erregergeraden wird in erster Line durch die Größe des Widerstandes
der Drosselspule 9 bestimmt. Bei Verwendung einer Luftspaltdrossel können durch
Änderung des Luftspaltes verschiedene Steilheiten der Erregergeraden eingestellt
werden. Hierdurch verschiebt sich der Schnittpunkt der Erregergeraden mit der Magnetisierungskennlinie
des Wechselstromgenerators, der die Nennspannung bestimmt.
-
In Fig. 3 sind die Stromverhältnisse im Transformator bei Belastung
der Außenleiter dargestellt. Senkrecht zum Spannungsvektor U ausgehend vom Nullpunkt
ist der Vektor IL für den Leerlaufstrom in der Wicklung 8 das Transformators 5 aufgetragen
(bei Vernachlässigung der Ohmschen Komponente), an den sich die Vektoren IB1 und
IB2 der Belastungsströme in den Wicklungen 6 und 7 anschließen, die bezüglich des
Spannungsvektors U den Phasenverschiebungswinkel c 1 bzw. c 2 einnehmen. Der resultierende
Vektor IeW der drei Vektoren IL, IB1 und IB2 stellt den in der Sekundärwicklung
11 fließenden Wechselstrom dar, dessen Betrag dem Erregerstrom des Wechselstromgenerators
proportional ist.
-
In Fig. 4 ist auf der Ordinate der Nennstrom des Wechselstromgenerators
eingezeichnet. Auf der Abszisse sind die Werte für den Erregerstrom aufgetragen,
die benötigt werden, um bei Nennstrom die Generatorspannung konstant zu halten.
Die Kurven 18 19 und 20 stellen die funktionelle Abhängigkeit des vom Wechselstromgenerator
abgegebenen Stromes vom Erregerstrom dar, und zwar entspricht die Kurve 18 einem
Leistungsfaktor 1, die Kurve 19 einem Leistungsfaktor 0,8 und die Kurve 20 einem
Leistungsfaktor 0. Wie aus der Fig. 3 und 4 zu entnehmen ist, erfolgt die Ausregelung
des Leistungsfaktors weitgehend selbsttätig durch die Erregeranordnung, da der von
der Erregeranordnung angebotene Erregerstrom mit wachsendem Phasenwinkel (kleiner
werdenden cos c ) größer wird, das ist notwendig, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist,
um die Generatorspannung konstant zu halten. Die Spannung wird also praktisch konstant
gehalten,. bis auf sehr kleine Leistungsfaktoren, wo der von der Erregeranordnung
angebotene Erregerstrom kleiner ist als der vom Generator benötigte Strom.
-
Die in der vorliegenden Schaltung vorhandene Frequenzabhängigkeit
kann durch den Regler der Antriebsmaschine ausgeglichen werden.