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Anordnung zur frequenzunabhängigen Spannungsregelung von Drehstrom-und
Wechselstrom-Generatoren mit magnetischem Verstärker Die Verwendung magnetischer
Verstärker für die Spannungsregelung von Drehstrom- oder Wechselstrom-Generatoren
ist an sich bekannt. So hat man z. B. für die Spannungsregelung kleinerer und mittlerer
Generatoren die Erregermaschine mit zwei Wicklungen versehen, wobei die eine Wicklung
im gegenerregenden Sinne von einem magnetischen Verstärker gesteuert wird, während
sich die Erregermaschine über die andere Wicklung bis auf den vollen bei Nennlast
erforderlichen Wert erregt. Die Steuerung des magnetischen Verstärkers erfolgt durch
eine nichtlineare Meßanordnung, wobei eine Steuerwicklung des magnetischen Verstärkers
von einem der Generatorspannung proportionalen Strom und die andere im Gegensinne
von einem Strom durchflossen wird, der sich infolge eines nichtlinearen Widerstandes
bei einer Spannungsabweichung sehr stark ändert. Bei leer laufendem Generator ist
daher die Gegenwicklung der Erregermaschine voll erregt, der magnetische Verstärker
ist voll ausgesteuert. Andererseits ist der magnetische Verstärker bei voll belastetem
Drehstroin-Generator nur schwach ausgesteuert.
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Da der magnetische Verstärker zur Aussteuerung eine Spannungsdifferenz
von z. B. 1 bis 2% der Nennspannung des Generators benötigt, bedeutet dies, daß
im Leerlauf eine etwas kleinere Generatorspannung als bei Last eingeregelt wird.
Durch dieses Verhalten kann der Generator nicht für Parallelbetrieb verwetidet werden,
da sich dann kein stabiler Betriebspunkt einstellt. Da ferner die von einer nichtlinearen
Meßanordnung mittels Trockengleichrichter u. dgl. abgegebeile Steuerleistung bei
1% Abweichung der Generatorspannung vom Sollwert in der Größenordnung von weniger
als 1 mW bei wirtschaftlich tragbarem Aufwand liegt und andererseits die Erregermaschine
bei einer Leistung von z. B. 2 kW einen Erregerbedarf von 50W hat, ist ein Verstärkungsgrad
des magnetischen Verstärkers von über 50000 erforderlich. Bekanntlich nimmt jedoch
die Zeitverzögerung im magnetischen Verstärker finit dein Verstärkungsgrad zu. Man
muß daher, um zu einer Schnellregelung zu kommen, die obenerwähnte Gegenerregungsschaltung
wählen, da dann die Trägheit des magnetischen Verstärkers bei Stoßbelastung nicht
so störend in Erscheinung tritt.
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Es ist nun bereits bekannt, bei Gegenerregungsschaltungen für den
magnetischen Verstärker ein lineares und ein nichtlineares Meßglied galvanisch gegeneinanderzuschalten.
Dabei besteht das nichtlineare Meßglied aus einer eigengesättigten Drosselspule,
mit der ein Kondensator in Reihe geschaltet ist, uni einen möglichst waagerechten
Verlauf der Stromspannungskennlinien zu erreichen. Diese Anordnung besitzt jedoch
den Nachteil, daß sie in erheblichem Maße frequenzabhängig ist. Dadurch werden bei
Fre-<luenzä nderungen unerwünschte Spannungsänderungen des Generators eintreten.
Die Frequenzabhängigkeit dieses nichtlinearen Meßkreises ist in Fig. 3 dargestellt.
Bei konstanter Spannung steigt der Strom mit zunehmender Frequenz erheblich an.
Dieses Verlialten er- iht sich, wenn die Meßeinrichtung so dimensioniert ist, daß
ihre Resonanzfrequenz über dem zu betrachtenden Frequenzbereich liegt. Dies wird
stets der Fall sein, da sonst die einzelnen Schaltelemente sehr große Dimensionen
annehmen würden. Im umgekehrten Fall würde sich das umgekehrte Frequenzerhalten
ergeben.
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Diese Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß das
nichtlineare Glied der Meßanordnnng aus einer mit Hilfe eines Reihenschwingkreises
frequenzkompensierten Drosselschaltung hoher Leistungsfähigkeit bestellt. Bei dem
nichtlinearen Meßglied findet die Parallelschaltung einer Eisendrossel mit einem
Reihenschwingkreis Anwendung, wobei die Resonanzfrequenz des letzteren über dem
in Frage kommenden Frequenzbereich liegt. Diese beiden Schaltglieder besitzen nun
in dem interessierenden Frequenzbereich gerade entgegengesetztes Frequenzverhalten:
Bei steigender Frequenz nimmt der Strom in der Eisendrossel ab, im Resonanzkreis
jedoch zu. Beide werden nun so aufeinander abgestimmt, daß in dem praktisch vorkommenden
Frequenzbereich ein nahezu konstantes Frequeilzverhalten für das nichtlineare Meßglied
in seiner Gesamtheit vorliegt.
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Da die Ausgangsleistung dieser Schaltung etwa das 100fache der vonTrockengleichrichtern
u. dgl. beträgt, kann jetzt der Verstärkungsgrad und damit auch die Zeitkonstante
des magnetischen Verstärkers stark herabgesetzt werden, so daß der vom magnetischen
Verstärker
abgegebene Gleichstrom als Zusatzerregung dem Feld der Erregermaschine zugeführt
werden kann, ohne die Schnelligkeit der Regelung wesentlich zu beeinträchtigen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch
dargestellt.
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Fig. 1 zeigt die Schaltung einer Spannungsregelung eines Drehstrom-Generators
mit selbsterregter Erregermaschine, während in Fig.2 die Kennlinien der dem magnetischen
Verstärker vorgeschalteten Meßanordnung dargestellt sind, die in einem Frequenzbereich
von 40 bis 60 Hz kaum meßbare Unterschiede aufweisen.
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Es bedeutet 1 ein Drehstrom-Generator mit der Polradwicklung 2. 3
ist der Anker der Erregermaschine mit dem Feld 4 und dem Nebenschluß -regler 5.
6 sind die Trockengleichrichter des selbstsättigenden magnetischen Verstärkers 7
mit den Wechselstromwicklungen.7a und 7b und den zwei gegengeschalteten Steuerwicklungen
7, und 7d. 7, ist eine Rückführwicklung und 7f eine Kompoundierungswicklung. Mit
dem Anschlußtransformator 8 ist die nichtlineare Drosselschaltung 9, der Frequenzkompensationskreis
10 und der Vergleichskreis 11 mit dem Vorwiderstand 12 und dem Sollwerteinsteller
13 an die Generator-Wechselspannung angeschlossen. 14 ist ein Stromwandler zur Stabilisierung
der Regelung bei Parallelbetrieb des' Generators. 15 stellt einen weiteren Stromwandler
dar, dessen Strom über den Gleichrichter 16, die Drossel 17 und die Widerstände
18 und 19 zusätzlich auf die Wicklung 7f des magnetischen Verstärkers einwirkt.
20 ist ein Dämpfungstransformator, 21 ein einstellbarer Widerstand. 22 stellt den
Generatorschalter und 23 einen Widerstand dar.
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Die Wirkungsweise der Spannungsregelung nach der Erfindung ist folgende:
Die Erregermaschine erregt sich über den Nebenschlußregler 5 selbst, wobei der Nebenschlußregler
so eingestellt wird, daß die Spannung der Erregermaschine etwas unterhalb der Leerlauferregerspannung
bleibt. Durch die Feldwicklung 4 kann außerdem derAusgangsstrom des Magnetverstärkers
7 über den Gleichrichter 6 in gleicher Richtung fließen. Der magnetische Verstärker
wird dabei z. B. von der Phasenspannung des Generators gespeist. Die Aussteuerung
des magnetischen Verstärkers erfolgt durch die frequenzkompensierte nichtlineare
Schaltung 9, 10, 11 des Transformators B. Der summierte Ausgangsgleichstrom der
zwei Kreise 9 und 10 ändert sich bei einer geringen Abweichung der Generatorspannung
vom Sollwert sehr stark. Dieser Strom wird der Steuergegenwicklung 7, des magnetischen
Verstärkers 7 zugeführt, wodurch der magnetischeVerstärker im sperrenden Sinne beeinflußt
wird. Der Steuerwicklung 7d des magnetischen Verstärkers wird über die Schaltung
11 ein der Generatorspannung proportionaler Strom zugeführt. Im Beharrungszustand
bewirkt die Stromdifferenz in den Steuerwicklungen 7, und 7d eine zusätzliche Erregung
der Feldwicklung 4 derart, daß die gewünschte Generatorspannung gerade gehalten
wird. Sinkt jetzt z. B. die Generatorspannung infolge einer zusätzlichen Belastung
des Generators 1 bei eingelegtem Generatorschalter 22, so nimmt nach Fig. 2 der
Strom in der Wicklung 7d nur wenig ab, während der Strom in der Gegenwicklung 7,
sehr stark abfällt. Der magnetische Verstärker wird somit stärker ausgesteuert.
Da die frequenzunabhängige Meßanordnung sehr leistungsfähig und praktisch trägheitslos
wirkt, kann erfindungsgemäß der Verstärkungsgrad des magnetischen Verstärkers 7
in mäßigen Grenzen gehalten werden, wodurch auch die Zeitverzögerung im magnetischen
Verstärker in Grenzen gehalten werden kann, die für eine Spannungsschnellregelung
erträglich sind. Mittels des Sollwerteinstellers 13 kann der Sollwert der konstant
zu haltenden Generatorspannung eingestellt werden. Zur zusätzlichen Dämpfung des
Regelvorganges kann ferner in bekannter Weise die zeitliche Änderung der Erregermaschinenspannung
mittels eines Kondensators oder eines Transformators 20 auf eine Rückführwicklung
7, des magnetischen Verstärkers gegeben werden.
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Zur weiteren Beschleunigung des Regelvorganges kann ferner ein, dem
Belastungsstrom des Generators und/oder der zeitlichen Änderung des Belastungsstromes
proportionaler Gleichstrom zusätzlich auf eine Steuerwicklung 7f des magnetischen
Verstärkers einwirken. Der Generatorstrom, der mit dem Stromwandler 15 gemessen
und mittels Gleichrichter 16 gleichgerichtet wird, kann der Steuerwicklung
71 unter Parallelschaltung eines aus der Drossel 17 und dem einstellbaren
Widerstand 18 bestehenden Nebenschluß zugeführt werden. Die Widerstände 18, 19 werden
dabei unter Berücksichtigung des ohmschen Widerstandes der Drossel 17 so abgeglichen,
daß die kompoundierende Wirkung des Generatorstromes auf den magnetischen Verstärker
im Beharrungszustand stets unter dem für die Zusatzerregung erforderlichen Wert
bleibt, so daß auch beim Leistungsfaktor cos 99 = 1 keine Überkompoundierung eintreten
kann. Tritt dagegen eine rasche Änderung des Generatorstromes, hervorgerufen durch
Lastströme, auf, so wird infolge der induktiven Wirkung der Drossel vorübergehend
ein kräftiger Impuls im aufernegenden Sinne (umgekehrt bei Entlastung) auf die Steuerwicklung
7f gegeben. Diese Wirkung läßt sich auch dadurch erzielen, daß eine dem Polradstrom
der Polr adwicklung 2 proportionale Spannung an einem Shunt im Polradkreis abgegriffen
und einer weiteren (nicht gezeichneten) Steuerwicklung des magnetischen Verstärkers
zugeführt wird. Bei plötzlichen Laständerungen vergrößert öder verkleinert sich
bekanntlich der Polradstrom sprunghaft.
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Der Anteil der Erregungsbeeinflussung durch diese Zusatzeinrichtung
soll dabei so bemessen sein, daß im Beharrungszustand keine überkompoundierung auftreten
kann und die Erregung durch die Spannung gemäß der Schaltanordnung 8, 9, 10, 11
kontrolliert werden kann.
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Nach Maßgabe des Gesamtverstärkungsgrades der Meßanordnung und des
magnetischen Verstärkers sinkt die Generatorspannung etwas (z. B. um 10/0
mit zunehmender Last, da der magnetische Verstärker mit zunehmender Generatorlast
stärker ausgesteuert werden muß. Zur Erzielung einer einwandfreien Stabilität im
Parallelbetrieb kann in die Meßanordnung in einer bei den, elektromechanischen Spannungsreglern
(z. B. Tirrill-Regler) üblichen Weise ein Anteil des Blindstromes eingeführt werden.
Zu diesem Zweck wird der Strom der Generatorphase S entnommen, wenn die Spannungsmeßeinrichtung
(Transformator 8) an den Phasen R, T liegt. Der Spannungsabfall dieses Stromes an
dem Shunt 12 soll bei Nennstrom etwa 2 bis 3°/a der Spannung betragen, die dem Vergleichskreis
11 zugeführt wird.
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Zur Vermeidung eines Temperaturfehlers, des sogenannten Anwärmefehlers,
wird in dem Kreis der Steuerwicklung 7, zweckmäßig ein Widerstand 23 vorgesehen,
der so bemessen wird, daß das Verhältnis vom Kupferwiderstand zum festen Widerstand
gerade
so groß ist wie in dem Vergleichskreis 11 mit der Steuerwicklung
7d.
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Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung selbstsättigender magnetischer
Verstärker beschränkt. Bei Erregermaschinen mit geringer Erregerleistung, z. B.
Querfeldverstärkermaschinen, kann an Stelle des selbstsättigenden magnetischen Verstärkers
auch eine einfache wechselstromgespeiste Drossel mit Gleichrichter treten, wobei
die Vormagnetisierung dieser Drossel durch die frequenzkompensierte Meßanordnung
erfolgt. Ferner kann bei fremderregten Erregermaschinen die Feldwicklung der Erregermaschine
unabhängig von der Ankerspannung durch die Summierung eines konstanten Grundstromes
mit dem veränderlichen Ausgangsstrom des magnetischen Verstärkers gespeist werden.