Regelkreise müssen stets ein Schaltungselement mit eingeprägtem Eigenwert enthalten. Durch dieses
Schaltungselement wird der Sollwert des Regelkreises bestimmt. Dieser Sollwert wird mit dem Istwert der
Regelgröße verglichen und die Regelgröße dann in Abhängigkeit von der Differenz beider Werte korrigiert.
Bei den bekannten mechanischen Reglern, z. B. für die Erregung von elektrischen Maschinen, wird
als Vergleichsnormal, d. h. als Schaltungselement für den Eigenwert, häufig die Spannkraft einer Feder
oder auch das labile Gleichgewicht eines im homogenen Magnetfeld schwebenden Eisenkörpers verwendet. Die
vom Schaltungselement für den Eigenwert gelieferte Kraft ist im allgemeinen so groß, daß die Kontakte
des Reglers ohne Zwischenschaltung eines Verstärkers betätigt werden können. Diesem einfachen Aufbau
stehen allerdings eine Anzahl Nachteile gegenüber, weshalb sie nicht für alle Regelaufgaben brauchbar
sind. In dieser Hinsicht sind die rein elektrischen Regler vorteilhafter. Die Bildung ihres Sollwertes erfolgte
häufig durch Verwendung einer gesättigten Drossel, bei der die Sättigungsinduktion den Sollwert
bestimmt. Ein Nachteil dieser Einrichtung besteht darin, daß die durch die Sättigungsdrossel bestimmte
Spannung frequenzabhängig ist; der Einfluß der Frequenz muß daher durch zusätzliche Kompensationsglieder beseitigt werden. Das bereitet insofern
Schwierigkeiten, als der Drosselstrom stark oberwellenhaltig ist.
Unter Verwendung von nichtlinearen Widerständen sind Sollwertgeber bekanntgeworden, die von der Frequenz
unabhängig sind. Hierbei ist eine Brückenschaltung bekanntgeworden, bei der zwei nichtlineare
Widerstände und zwei feste Widerstände angeordnet sind. In Abhängigkeit von der Speisespannung ist
eine Brückendiagonalspannung vorhanden, die bei einer bestimmten Spannung Null ist und ihr Vorzeichen
umkehren kann. Nachteilig erweist sich die Temperaturabhängigkeit der nichtlinearen Widerstände.
Zu ihrer Kompensation werden zusätzliche Widerstände mit entgegengesetzten Temperaturkoeffizienten
vorgesehen. Dadie letztgenannten Widerstände nur wenig belastbar sind, ist auch die Ausgangsleistung gegenüber der Anordnung ohne Temperaturkompensation wesentlich geringer.
Infolge der kleinen AusgangsIeiistung ist zur Betätigung des Stellgliedes die Zwischenschaltung
eines empfindlichen Verstärkers, z. B. Magnetverstärkers, notwendig. Je kleiner die Ausgangsleistung
des Sollwertgebers ist, um so größer ist der Aufwand für die Verstärker; das bedeutet, daß der
Kostenaufwand für die Regelung bei kleinen Generatoren oder Transformatoren im Vergleich zur Gesamtanlage
sehr ungünstig wird. Durch den Span-Spannungsvergleicher
für die Spannungsregelung
von Drehstromgeneratoren
oder -transformatoren
ίο Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke
Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Dr.-Ing. Fritz Kümmel
und Dipl.-Ing. Werner Hochstetter, Erlangen,
sind als Erfinder genannt worden
nungsvergleicher werden die vorerwähnten Nachteile beseitigt.
Sein Wesen besteht darin, daß an die Hauptleiter des zu regelnden Drehstromtransformators oder
Transformators Drosselspulen mit nahezu rechtwinkliger Magnetisierungskennlinie in Drehstromschaltung
angeschlossen sind und daß ein Glied (Auskopplungsglied) zur Erfassung des Oberwellenstromes der durch
drei teilbaren Harmonischen vorgesehen ist, derart, daß dieser Strom bzw. eine ihm proportionale Spannung
ein Abbild für die Abweichung von der Sollspannung ergibt.
Zur selbsttätigen Spannungskonstanthaltung in Wechselstromnetzen mittels Regeltransformatoren ist
zwar schon vorgeschlagen worden, die an das Netz angeschlossenen Meßtransformatoren auf der Sekundärseite
mit einer im offenen Dreieck geschalteten Wicklung zu versehen und die an den Klemmen dieser
Dreieckwicklung auftretende Harmonische für die Spannungsregelung des Regeltransformators zu ver-j
wenden. Diese Einrichtungen erfordern jedoch stets; einen Transformator, d. h. also zwei Wicklungen oder,
falls ein Transformator schon für an sich andere Zwecke vorgesehen ist, eine im Dreieck geschaltete
Tertiärwicklung. Gegenüber der einfachen Anordnung nach der Erfindung wird bei dieser der Aufwand an
Schaltungsmaterial erhöht, was zur Folge hat, daß auch der notwendige Raum für diese Einrichtungen
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erheblichen Umfang einnimmt. Die Raumfrage ist besonders dann wesentlich, wenn es sich um die Regelung
von kleineren Drehstromaggregaten handelt.
Zur näheren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen; es zeigt
Fig. 1 ein Anwendungsbeispiel des Spannungsvergleichers in einem Spannungsregelkreis mit Magnetverstärker
an der Synchronmaschine,
Fig. 2 ein Anwendungsbeispiel des Spannungsvergleichers mit Sollwertbeeiriflussung durch den Generatorstrom,
Fig. 3 ein Anwendungsbeispiel des Spannungsvergleichers beim Parallelbetrieb eines Generators mit
stromabhängiger Zusatzspannung im Vergleichsstromkreis,
Fig. 4 ein Anwendungsbeispiel des Spannungsvergleichers bei einem kondensatorerregten Asynchrongenerator,
Fig. 5 die Schaltung des Spannungsvergleichers zur Beseitigung des Einflusses der Spannungsoberwellen.
In Fig. 1 sind die Drosselspulen 1, 2 und 3, die eine geknickte, nahezu rechtwinkelige Magnetisierungskennlinie aufweisen, in Stern geschaltet und mit ihren
freien Enden an die Klemmen R, S und T eines Synchrongenerators 4 angeschlossen. Die Ständerwicklung
des Synchrongenerators 4 ist in Stern geschaltet und ihr Sternpunkt über den Eingang einer Gleichrichteranordnung
5 als Auskopplungsglied mit dem Sternpunkt der Drosselspulen 1, 2 und 3 verbunden. Parallel
zum Eingang der Gleichrichteranordnung 5 liegt der Reihenschwingkreis 6, bestehend aus einem ohmschen
Widerstand, einer Induktivität und einem Kondensator. Der Spannungsvergleicher besteht demnach
aus den Drosselspulen, dem Gleichrichter und dem Reihenschwingkreis. An den Ausgang der Gleichrichteranordnung
5 ist eine S teuer wicklung des Magnetverstärkers 7 angeschlossen. Eine weitere Steuerwicklung
des Magnetverstärkers 7 ist über einen Widerstand 8 und eine Gleichrichteranordnung 9 an
die Klemmen R, S und T des Generators 4 angeschlossen. Der Magnetverstärker 7 wird entweder
durch eine fremde Wechselstromquelle gespeist oder durch die Generatorspannung des Generators 4 selbst.
Der Ausgang des Magnetverstärkers ist mit der Erregerwicklung des Generators 4 verbunden.
Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Liegt die Spannung des Generators 4 unter dem Sättigungswert,
so fließt in der Sternpunktverbindung zwischen Generator 4 und den Drosselspulen 1, 2, 3
kein Strom. Wird der Sättigungswert der Drosselspulen überschritten, so steigt der Magnetisierungsstrom für die Drosselspulen stark an, wobei er wegen
der nahezu rechtwinkeligen Magnetisierungskennlinie starke Oberwellen enthält; Über die Sternpunktverbindung
fließt nur der Strom der durch drei teilbaren Harmonischen, also im wesentlichen die dritte
Harmonische. Am Gleichrichter 5 tritt demnach eine diesem Strom proportionale Spannung entsprechender
Frequenz auf. Zur Kompensation von Frequenzabweichungen ist dem Eingang der Gleichrichteranordnung
5 der Reihenschwingkreis parallel geschaltet. Demnach fließt ein Teil des Stromes über den
Gleichrichter 5 zum Sternpunkt des Generators und ein anderer Teil über den Reihenschwingkreis 6. Steigt
die Frequenz über ihren Nennwert an, so entspricht einem bestimmten Strom, der über den Eingang der
Gleichrichteranordnung 5 fließt, ein größerer Spannungswert als bei Nennfrequenz. Um eine konstante
Spannung zu erhalten, muß mit steigender Frequenz der Strom größer werden. Diese Abhängigkeit erhält
man, wenn man bei dem Reihenresonanzkreis in dem Bereich arbeitet, in dem der über den Reihenresonanzkreis
fließende Strom mit steigender Frequenz kleiner wird. Damit nimmt der über die Gleichrichteranordnung
fließende Strom zu. Durch entsprechende Bemessung des ohmschen Widerstandes des Reihenresonanzkreises
6 ist es möglich, den Frequenzeinfluß in weiten Bereichen zu kompensieren. Die Steuerwicklung des
Magnetverstärkers 7, die über die Gleichrichteranordnung 9 direkt an die Klemmen des Synchrongenerators
4 angeschlossen ist, erzeugt in dem Magnetverstärker einen magnetischen Fluß, der der jeweiligen
Istspannung des Generators proportional ist. Auf die Verstärkerdrosseln wirkt die Differenz der beiden
Steuerdurchflutungen. (Der Sollwert wird dabei z. B. durch die Spannung festgelegt, bei der die Summe der
Steuerdurchflutungen Null ist. Sinkt die Generatorspannung unter diesen Wert, so überwiegt der von
dem Hilfsgleichrichter 9 gelieferte Steuerstrom, und der Magnetverstärker 7 wird in positivem Sinne vormagnetisiert.
Ist die Generatorspannung dagegen höher, so überwiegt die Steuerdurchflutung, die durch
den Spannungsvergleicher hervorgerufen wird, und die Erregung des Synchrongenerators wird verkleinert.
»5 Durch die Verwendung des neuen Spannungsvergleichers wird es im allgemeinen möglich sein, auch
bei kleinen Generatoren mit einer Verstärkerstufe auszukommen, was eine wesentliche Verkleinerung
des Aufwandes bedeutet. Da sich das Gleichgewicht bei den Sternpunktdrosseln gegenüber der sonstigen
Zeitkonstanten des Regelkreises praktisch trägheitsfrei einstellt, werden die Stabilitätsverhältnisse günstig
beeinflußt.
Wird ein Generator parallel zu einem Netz oder parallel zu anderen Generatoren betrieben, so ist dafür
Sorge zu tragen, daß bei Differenzen zwischen dem Sollwert des geregelten Generators und der
Fremdspannung der Ausgleichsblindstrom, der über die Kupplungsleitung fließt, begrenzt wird. Hierzu ist
es notwendig, den Generatorstrom als Steuergröße in den Regelkreis einzuführen. Die entsprechende
Schaltung hierfür ist in Fig. 2^ gezeigt. Gegenüber der Anordnung nach Fig. 1 sind die Drosselspulen 1,
2 und 3 nicht direkt an die Klemmen R, S und T des Generators angeschlossen. Im Zuge der Hauptleiter
R, S und T befinden sich drei Stromwandler 10, 11 und 12. And die Sekundärwicklung der Stromwandler
sind jeweils die Drosselspulen 13, 14 und 15 angeschlossen. Zugleich liegen die Drosselspulen 13,14
und 15 in Reihe mit den zugehörigen eisengesättigten Drosselspulen 1,2 und 3 und dem jeweils zugeordneten
Hauptleiter. Die Drosselspulen 1, 2 und 3 sind, wie in Fig. 1 gezeigt, wiederum über einen Gleichrichter 5
mit dem Sternpunkt des Synchrongenerators verbunden. Der Ausgang der Gleichrichteranordnung 5 liegt
an den Klemmen der ersten Steuerwicklung des Magnetverstärkers 7, die zweite Steuerwicklung des
Magnetverstärkers 7 ist über einen Widerstand 8 und die Gleichrichteranordnung 9 an die Hauptleiter S
und T des Generators 4 angeschlossen.
Die Wirkungsweise der Einrichtung ist dabei folgende : Bei induktivem Generatorstrom sind die
Phasenspannungen und die Zusatzspannungen an den Drosselspulen 13, 14 und 15 in Phase, so daß die
Generatorspannung nach kleineren Werten hin verschoben wird. Durch die Zusatzspannung in den
Drosselspulen 13, 14 und 15 wird der Sättigungsast der Kennlinien der Drosseln 1, 2 und 3 nach unten
verschoben, und die Generatorspannung sinkt, so daß die induktive Komponente des Laststromes verkleinert
wird. Die Wirkungsweise der übrigen Einrichtung ist gleich der schon in Fig. 1 beschriebenen.
In Fig.jJ^ist eine gegenüber der Fig. 2 geänderte Schaltung für den Spannungsvergleieher bei Parallelbetrieb
dargestellt. Die Drosselspulen 1, 2 und 3 sind direkt an die Hauptleiter R1 S und T angeschlossen.
Die stromproportionale Zusatzspannung wird hier in den Vergleichsstromkreis des Magnetverstärkers eingeführt,
so daß jetzt nur ein Stromwandler 16 im Hauptleiter R und ein zusätzlicher Widerstand 17
benötigt werden. Der zusätzliche Widerstand 17 liegt parallel zur Sekundärwicklung des Stromwandlers 16.
Der Eingang der Gleichrichteranordnung 9 ist einmal direkt an den Hauptleiter T angeschlossen und zum
anderen über den Widerstand 17 mit dem Hauptleiter 5 verbunden. Am Eingang der Gleichrichteranordnung 9
liegt demnach eine Summenspannung, die sich ergibt aus der am Widerstand 17 liegenden stromproportionalen
Spannung und der verketteten Spannung zwischen den Hauptleitern 6" und T. Durch die Schaltung
nach Fig. 3 bleibt die Sättigungskennlinie der Drosselspulen 1, 2 und 3 erhalten, dagegen wird die Kennlinie,
die die Abhängigkeit des Vergleichsstromes im Magnetverstärker von der Generatorspannung wiedergibt,
zu sich selbst so verschoben, daß bei kleinerem Strom in der Sternpunktverbindung eine Spannungsabsenkung stattfindet.
Der in den vorhergehenden Figuren beschriebene Spannungsvergleicher läßt sich auch für kondensatorerregte
Asynchrongeneratoren anwenden. Die Schaltung hierfür ist in Fig. 4 gezeigt. An sich wäre bei
kondensatorerregten Asynchrongeneratoren eine Spannungsregelung nicht notwendig, doch empfiehlt es
sich, zur Erzielung einer großen Spannungsgenauigkeit die Antriebsdrehzahl in Abhängigkeit von der
jeweiligen Belastung zu beeinflussen. Hierfür sind bisher Stromkompoundierungsschaltungen vorgeschlagen
worden, bei denen der Laststrom über Stromwandler und Gleichrichter einen Verstellmagneten erregt,
der die Sollwertfeder vorspannt und dadurch die Drehzahlkennlinie verschiebt Bei ungleichmäßiger
Belastung der einzelnen Hauptleiter müssen drei Stromwandler vorgesehen werden. Der Kompoundierungsgrad
wird dann so eingestellt, daß die Spannung über den ganzen Lastbereich praktisch konstant bleibt.
Allerdings ist nicht zu vermeiden, daß die Spannungskennlinien für die verschiedenen Leistungsfaktoren
etwas auseinanderlaufen, da ja der Eingriff in den Drehzahlregler nicht in Abhängigkeit von der Regelgröße
U1 sondern von der Stellgröße / erfolgt. Dieser Nachteil wird durch die Verwendung des Spannungsvergleichers
beseitigt.
In Fig. Am ist mit 18 ein Asynchrongenerator dargestellt, an dessen Hauptleiter R, S und T die Erregungseinrichtung
19 angeschlossen ist. Die Erregungseinrichtungl9 besteht aus drei Erregerkondensatoren,
denen in Dreieck geschaltete Drosselspulen parallel geschaltet sind, und aus drei Drosselspulen,
die in Stern geschaltet sind. Wie ersichtlich, sind in der Erregungseinrichtung die drei Drosselspulen für
den Spannungsvergleicher bereits enthalten. Der Sternpunkt der Drosselspulen 1, 2 und 3 ist über
einen Stromwandler 20 als Auskopplungsglied mit dem Sternpunkt des Asynchrongenerators 18 verbunden.
Die Sekundärwicklung des Stromwandlers 20 ist an eine Gleichrichteranordnung 21 angeschlossen.
Der Antriebsmotor des Asynchrongenerators 18 wird über eine Steuereinrichtung 22 in seiner Drehzahl
beeinflußt. Eine Eingangsklemme der Steuereinrichtung 22 ist einmal über einen Widerstand an
eine Ausgangsklemme der Gleichrichteranordnung 23 angeschlossen, und die andere Eingangsklemme der
Steuereinrichtung 22 ist über den Ausgang der Gleichrichteranordnung 21 an die zweite Ausgangsklemme
der Gleichrichteranordnung 23 angeschlossen. Parallel zum Ausgang der Gleichrichteranordnung 21 liegt ein
Widerstand 24. Die Gleichrichteranordnung 23 ist eingangsseitig an die Hauptleiter R1 S und T angeschlossen.
Die Wirkungsweise der neuen Anordnung ist folgende: Der über die Sternpunktverbindung fließende
Strom der dritten Oberwelle stellt ein Maß für die Generatorspannung dar. Der in der Sternpunktverbindung
fließende Strom wird über die Sekundärwicklung des Stromwandlers dem Gleichrichter 21 zugeführt
und gleichgerichtet, er ruft eine ihm proportionale Spannung an dem Widerstand hervor. Dieser
Spannung am Widerstand 24 ist die Gleichspannung am Ausgang der Gleichrichteranordnung 23 entgegengeschaltet.
Die Differenz zwischen den beiden Spannungen verursacht einen Strom in der Erregerwicklung
der Steuereinrichtung 22 für die Drehzahl des Antriehsmotors. Entsprechend der Wirkungsweise des
kondensatorerregten Asynchrongenerators führen die Sättigungsdrosseln im Leerlauf den größten Strom.
Der Steuerkreis wird nun so abgeglichen, daß die Spannung am Widerstand 24 und die an der Gleichrichteranordnung
23 liegende spannungsproportionale Gleichspannung sich zu Null ergänzen. Wird der
Generator belastet und wird unter dem Einfluß des Spannungsrückganges der Strom in der Sternpunktverbindung
zwischen Asynchrongenerator und Erregungseinrichtung kleiner, so überwiegt die konstante ·
Spannung, und der Hubmagnet in der Steuereinrich- ■ tung 22 wird erregt. Es handelt sich hier um einen
Regelkreis, bei dem der Spannungsvergleicher eine * so große Ausgangsleistung hat, daß auf einen Verstärker
verzichtet werden kann. Die Verstellung des Drehzahlreglers über die Steuereinrichtung 22 wird
unmittelbar durch eine von der Regelspannung abgeleitete Größe durchgeführt. Der Einfluß der Frequenz
auf die Generatorspannung kann durch entsprechende Ausbildung der Charakteristik des Hubmagneten in
der Steuereinrichtung 22 für den Drehzahlregler beseitigt werden.
Treten in der Phasenspannung des Generators starke Oberwellen auf, so ist es möglich, daß die
Ausgangsgröße des Spannungsvergleichers mit in Stern geschalteten Sättigungsdrossel sich ändert.
Bei kleinen und mittleren Generatoren wird häufig darauf verzichtet, die durch drei teilbaren Harmonischen
durch besondere Maßnahmen, z. B. besondere Auslegung der Wicklung, zu unterdrücken, da sie bei
Sternschaltung sowie in der verketteten Spannung nicht mehr auftreten. Die Größe der Oberwellen
sind zudem bei Schenkelpolgeneratoren noch vom Leistungsfaktor der Belastung abhängig, was auch zu
Regelabweichungen führen kann.
In Fig. J tISt deshalb eine Schaltung des Spannungsvergleichers
gezeigt, bei der eventuell vorhandene Oberwellenanteile in der Generatorspannung kompensiert
werden. Im Gegensatz zu den bisher gezeigten Schaltungsbeispielen sind die Drosselspulen
1, 2 und 3 in Dreieckschaltung an die Hauptleiter R, S und T angeschlossen. In jeder Dreieckverbindung
der Drosselspulen liegt in Reihe die Primärwicklung eines Summenstromwändlers 25. Die gemeinsame
Sekundärwicklung des Summenstromwändlers ist an den Ausgang einer Gleichrichteranordnung 26 angeschlossen.
Am Ausgang der Gleichrichteranordnung