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Anordnung zur Stabilisierung von kompounderregten Synchronmaschinen
Bei Synchronmaschinen ist es bekannt, die Erregerwicklung der Maschine über eine
-Gleichrichteranordnung und eine vorgeschaltete Drossel vors der Maschinenwechselspannung
zu speisen. Die Drossel ist so bemessen, daß bei Leerlauf der Maschine der Erregerstrom
gleich dem Leerlauferregerstrom ist. Um die Spannung der Maschine hei verschiedenen
Belastungen zu stabilisieren, wird ein dem Maschinenstrom proportionaler Strom dem-die
Erregergleichrichteranordnung speisenden spannungsabhängigen Strom überlagert. Bei
richtiger Bemessung dieser sogenannten Kompoundierungskompönente ergibt sich..ein
Erregergleichstrom, der bei -verschiedenen Belastungsfällen die Maschinenspannung
annähernd konstant hält.
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Bei einer konstanten Kompoundierungseinrichtung einfacher Ausführung
ist die an der Maschinenwechselspannung liegende Vorschaltdrossel mit einer zusätzlichen
Wicklung versehen, die direkt vom Belastungsstrom' der Maschine durchflossen wird.
- Bei anderen bekannten . Kompoundierungseinrichtungen verwendet man Mischtransformatoren,
auf die im folgenden noch näher eingegangen wird.
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Diese Art der Stabilisierung der Generatorspannung, die bei direkter
und indirekter- Erregung einer Synchronmaschine mit Walzeninduktor eine gute Spannungskonstanz
ergibt, liefert unter Umständen weniger befriedigende Resultate bei Maschinen- mit
ausgeprägten Polen, da die verschiedenen Leitwerte der Längs- und Querfelder des
Polrades zu Abweichungen- von der von der Erregerschaltung vorgeschriebenen und
für Walzenläufer richtigen AW-Bilanz führen. Um diesen Nachteil auszuschalten, kann
man die zur Spannungskonstanz erforderliche Korrektur der. Erreger-AW von einem
zusätzlichen Regelorgan (Röhren- oder Magnetregler) vornehmen lassen. -Bei bekannten
Anordnungen dieser Art besteht die Kompoundierungseinrichtung im- wesentlichen aus
einem Stromtransformator mit zwei Drosseln. Die eine der beiden Primärwicklungen
des Stromtransformators wird stets - gegebenenfalls über einen Zwischenwandler -
von der dem Belastungsstrom proportionalen Stromkomponente gespeist; die andere
Primärv-icklung ist über eine Vorschaltdrossel an die Netzspannung angeschlossen.
Bei Leerlauf der Synchronmaschine wird über die letztgenannte Primärwicklung des
Stromtransformators ein Strom induziert, der nach Gleichrichtung dem Leerlauferregerstrom
entspricht. Bei Belastung der Synchronmaschine tritt auf der Sekundärseite des Stromtransformators
zusätzlich die Kompoundierungsstromkomponente hinzu, die ausreicht, um nach der
Gleichrichtung des Gesamtsekundärstromes den Erregerstrom auf den für eine Spannungsstabilisierung
notwendigen Wert zu steuern. Der Regeleingriff zur Stabilisierung der Ma-# schinenspannung
erfolgt bei den bekannten Anordnungen im allgemeinen durch Beeinflussung der Leerlauf-$tromkorüponente
derKompoundierüngseinrichtung. Zu diesem zweck ist zusätzlich und in Reihe mit der
Vor= schaltdrossel irr den einen Primärspeisekreis des Stromtransformators eine
durch Gleichstrom vormagneti= sierbare Drossel eingeschaltet, öder die Vorschaltdrossel
selbst ist als v ormagnetisierbare Drosselspule ausgebildet; bei einer Abweichung
vom Sollwert der Maschinenspannung wird über einen Spannungsregler und gegebenenfalls
einen Verstärker die Induktivität der Drossel durch Gleichstromvormagnetisierung
geändert und dadurch der Erregerstrom auf den für eine Spannungskonstanthaltung
notwendigen Wert korrigiert. Bei einer anderen bekannten Anordnung erfolgt die Beeinflussung
der Leerlaufstromkomponente durch eine vormagnetisierbare Drosselspule, die der
in Reihe mit der Vorschaltdrossel liegenden Primärwicklung des Stromtransformators
parallel geschaltet ist und deren Induktivität ebenfalls durch Gleichstromvormagnetisierung
in derselben Weise von einem Spannungsregler verändert wird.
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Es ist auch eine Regelanordnung bekannt, bei der die zur Spannungskonstanthaltung
erforderliche Korrektur des Erregerstromes nicht durch Beeinflussung der Leerlaufstromkomponente
erfolgt, sondern durch Beeinflussung des Sekundärstromes des Stromtransformators.
In diesem bekannten Fall ist eine vormagnetisierbare Drossel der Erregergleichrichteranordnung
wechselstromseitig vor- oder parallel geschaltet; der Vorteil dieser Anordnung besteht
darin, daß dadurch eine wirksame Regelung des Erregerstromes bei Kurzschluß der
Synchronmaschine möglich ist.
Bei den oben beschriebenen bekannten
Spannungsregelanordnungen für kompoundierte Synchronmaschinen ist der Aufwand sehr
erheblich. Gegenstand- der Erfindung ist eine Anordnung zur Stabilisierung der Spannung
von kompounderregten Synchronmaschinen, bei der der schaltungsmäßige Aufwand stark
verringert ist. Bei dieser Anordnung wird in bekannter Weise die Erregerwicklung
über eine Vorschaltdrossel und Gleichrichter von der Maschinenwechselspannung gespeist,
während eine zweite Wicklung dieser Drossel vom Maschinenwechselstrom gespeist wird.
Erfindungsgemäß erfolgt die zur Stabilisierung der Maschinenspannung erforderlicheKorrektur
des Erregerstromes direkt durch Vormagnetisierung des Drosselkernes, der zu diesem
Zweck mit einer zusätzlichen Vormagnetisierungswicklung ausgestattet ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
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Die Erregerwicklung der Synchronmaschine ShT wird über die Wicklungen
W1 der in jede Phase eingeschalteten Vorschaltdrosseln Dr oder über die Phasenwicklungen
W1 einer dreiphasigen Drossel und über die Phasengleichrichter G von der auf den
Sternpunkt bezogenen Maschinenspannung gespeist. Der Übersichtlichkeit wegen ist
in der Zeichnung diese Schaltung in einpoliger Darstellung gezeigt. Die Kompoundierungswicklungen
der Phasendrosseln bzw. der dreiphasigen Drossel sind mit W2 bezeichnet und werden
jeweils vom Phasenstrom durchflossen. Die Vormagnetisierungswicklung W3 der Drosseln
bzw. Drossel wird von einem Gleichstrom gespeist, der beim Ausführungsbeispiel gemäß
der Zeichnung einem Spannungsregler R entnommen wird. An Stelle einer Korrektur
des Erregerstromes durch einen Regelvorgang in Abhängigkeit von der Maschinenspannung
kann zur Stabilisierung der Maschinenspannung auch eine Korrektur durch eine Steuerung
in Abhängigkeit von der Spannung an der Drosselwicklung W1, vom Erregerstrom Je
oder vom Belastungsstrom der Maschine vorgenommen werden. Man kann auch die Drossel
bzw. Drosseln mit Luftspalt ausführen und ihre Induktivität zusätzlich durch Vormagnetisierung
des Joches verändern.
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Die geringe Leistung zur Vormagnetisierung der Drosseln entnimmt man
zweckmäßig einer spannungsabhängigen Schaltung, die in bekannter Weise aus Widerständen
mit nichtlinearer Kennlinie aufgebaut ist.
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Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anordnung ist so, daß bei einem
Eingriff des Regel- oder Steuerorgans die Korrektur des Erregerstromes zwecks Stabilisierung
der Maschinenspannung im wesentlichen nur durch Veränderung der Leerlauferregerstromkomponente
erfolgt, was aus der folgenden Erläuterung ohne weiteres ersichtlich ist.
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Im Leerlauffall der Synchronmaschine ist der den Erregergleichrichter
G einer Phase speisende Wechselstrom i, gleich der Leerlauferregerstromkomponente
io, die nach Gleichrichtung den zur Induzierung der Leerlaufspannung Uo notwendigen
Erregergleichstrom I, = I, ergibt. Für den Drosselprimärkreis (Wicklung W1)
gilt demnach folgende Vektorgleichung
In dieser Gleichung ist k eine Konstante (reell), U, die Leerlauf-Maschinenspannung,
bezogen auf den Sternpunkt, r der ohmsche Widerstand des Gleichrichters G und der
Felderregerwicklung und Z1 der primäre Drosselscheinwiderstand mit seinem Realteil
r1 (ohmscher Widerstand der Wicklung W1) und seinem Imaginärteil j X1 (X1 = induktiver
Widerstand der Wicklung W1).
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Da der ohmsche Widerstand bri der Wicklung l1'1 gegenüber ihrem induktiven
Widerstand X1 sehr gering ist, kann er bei der weiteren Berechnung vernachlässigt
werden, so daß folgende Vektorgleichung für das Spannungsgleichgewicht bei Leerlauf
besteht: U0 = k (r+ j X i) i0 = k Z io, wo Z=r+jxi der Gesamtscheinwiderstand
des Drosselprimärkreises ist.
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Der an der Drosselwicklung W1 liegende Anteil der Gesamtspannung Uo
entspricht betragsmäßig dem Imaginärteil kXiio dieser Gleichung. Bei Belastung der
Synchronmaschine mit einem Maschinenstrom J tritt zu dieser Spannung die Kompoundierungsspannung
k UK hinzu, die durch den in der Drosselwicklung W2 fließenden Belastungsstrom J
in der Wicklung W1 induziert wird und die der Drosselspannung entgegengeschaltet
ist.
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Die allgemein gültige Vektorgleichung für den Belastungsfall lautet
demnach U=k(Zie= UK).
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Die Kompoundierungsspannung UK ist der durch den Belastungsstrom J
an der Drosselwicklung hervorgerufene und auf die Drosselprimärseite umgerechnete
Spannungsabfall.
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Für den Spannungsabfall UK an der Drosselwicklung W2 ergibt sich folgende
Vektorgleichung: UK = Z2 - J = (r2-1-1 X2) J.
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In dieser Gleichung ist Z2 der Scheinwiderstand der Drosselwicklung
W2, r2 ihr ohmscher und X2 ihr induktiver Widerstand. Für die Beträge der Spannungen
UK und UK gilt
(w1= Windungszahl der Wicklung W., w2= Windungszahl der Wicklung W2, i% = Übersetzungsverhältnis)
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Da der ohmsche Widerstand r2 der Wicklung W2 gegenüber ihrem induktiven
Widerstand X2 sehr gering ist, gilt mit guter Näherung UK, [ = J ( + x2)
x2 J
so daß die auf die Drosselprimärseite umgerechnete Kompoundierungsspannung
1 UKJ = is X2 J ist. Die allgemeine Vektorgleichung für den Belastungsfall
ergibt sich damit zu U=k(Zi,=jiiX2J). Für die Widerstandstransformation eines Wandlers
gilt ganz allgemein
Da im vorliegenden Fall der ohmsche Widerstand beider Drosselwicklungen gegenüber
ihrem induktiven sehr gering ist, gilt also annähernd
Setzt man den für X2 erhaltenen Wert in die allgemeine Vektorgleichung ein, so ergibt
sich
Durch Umformung erhält man die Vektorgleichung für den den Erregergleichrichter
G speisenden Wechselstrom i. zu
Aus dieser Gleichung ist zu ersehen, daß der Betrag des Faktors
des Imaginärteiles, der gleich
ist, bei einer Änderung der Drosselinduktivität X1 durch Gleichstromvormagnetisierung
kaum verändert wird, weil bei der Aussteuerung r << X1 bleibt. Im wesentlichen
wird bei einer Änderung von X1 nur der Betrag
des Realteiles verändert, der die Leerlauferregerstromkomponente i. darstellt.
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Bei der in der Zeichnung dargestellten Schaltungsanordnung stehen
bei reiner Wirklast (cos g9=11) der Synchronmaschine die Vektoren der Leerlauf-
und der Kompoundierungsstromkomponente senkrecht aufeinander, so daß die Wirksamkeit
einer Änderung der Leerlauferregerstromkomponente ia durch die Gleichstromvormagnetisierung
nicht sehr groß ist. Eine größere Wirksamkeit läßt sich erzielen, wenn man in bekannter
Weise die Drossel in Zickzackschaltung aufbaut und den Strom zweier Phasen zyklisch
vertauscht auf den Drosselkern einwirken läßt.