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Wechselstromgenerator Werden Ein- oder Mehrphasengeneratoren belastet,
so verdreht sich die Klemmenspannung gegenüber dem Polrad bzw. gegenüber der Leerlaufklemmenspannung
(EMK) je nach dem Leistungsfaktor um einen bestimmten Winkel. Dieser Winkel ist
durch den Streuspannungsabfall der Maschine gegeben, wie in den Diagrammen (Fig.
1 und 2) erläutert ist. Die Verschiebung zwischen Polradvektor und Klemmenspannung
ist am größten bei Wirkleistungsentnahme, und zwar zeigen gemessene Generatoren
bei Wirklast einen Verschiebungswinkel von ungefähr 50°.
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Bei dem in Fig. 1 gezeichneten Diagramm arbeitet der Generator mit
hoher induktiver Belastung. Die mit dem Polradvektor synchrone Spannung ist durch
den Vektor EMK dargestellt. Uk ist die Klemmenspannung, welche gegenüber der EMK
um den Winkel a phasenverschoben ist. Der Winkel 99 zwischen Klemmenspannung
und dem Strom I ist infolge der induktiven Belastung groß. Der Vektor des Spannungsabfalles
US wird durch den ohmschen Spannungsabfall IR und den Streuspannungsvektor
gebildet. Aus dem Diagramm geht hervor, daß bei induktiver Belastung der Winkel
a sehr klein ist.
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Demgegenüber wird, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, bei ohmscher Belastung
der Winkel a zwischen EMK und Uk verhältnismäßig groß.
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Diese Erscheinung der Änderung des Polradwinkels beim Übergang von
einer Belastungsart zur anderen verursacht bei stark frequenzempfindlichen Verbrauchern,
wie Tonaufnahmegeräten, Fernsehanlagen, Tonbandgeräten, Filmmaschinen usw., erhebliche
Störungen, da der Übergang von einem Polradwinkel auf einen anderen durch die Änderung
da im Grunde genommen eine Veränderung der Frequenz bedeutet. Entweder der
Stoß wirkt sich schnell aus, dann ist während einer geringen Anzahl von Perioden
eine starke Frequenzerhöhung bemerkbar, oder aber der Ausgleich erfolgt über einen
längeren Zeitraum, dann ist zwar die Frequenzänderung zahlenmäßig gering, dauert
aber über eine erhebliche Zahl von Perioden.
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Die üblicherweise zur Konstanthaltung der Klemmenspannung oder der
Verbraucherspannung sowie zur Konstanthaltung der Frequenz verwendeten Anordnungen
können die vorstehend beschriebenen Ungenauigkeiten nicht beheben, so daß sie bei
den genannten hochempfindlichen Verbrauchern nicht mehr die erforderliche Genauigkeit
aufweisen.
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Es sind auch Synchrongeneratoren bekanntgeworden, bei welchen außer
der üblichen, mit Gleichstrom gespeisten Feldwicklung eine zusätzliche, vom Generatorstrom
beaufschlagte Wicklung vorgesehen ist. Bei dieser bekannten Drehstromanlage dient
die zusätzliche Wicklung zur Erhöhung des Spannungsregelbereiches, da bei dem betreffenden
Anwendungsgebiet, z. B. Flugzeuganlagen, bei großen Schwankungen der normale Zitterregler
überlastet wird. Auch hierdurch wird jedoch der eingangs erwähnte Mangel nicht behoben.
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Der Generator gemäß der Erfindung gestattet eine vollkommene Regelung,
welche die schädlichen Wirkungen der Polradwinkelverschiebung behebt, und zwar geschieht
dies durch Verwendung eines Generators, dessen Erregeranordnung mit einer in Abhängigkeit
vom Generatorstrom erregten Zusatzwicklung versehen wird. Das neue Merkmal besteht
darin, daß die Zusatzwicklung lediglich von der Wirkkomponente des Generatorstromes
beaufschlagt und in an sich bekannter Weise räumlich gegenüber der normalen Erregerwicklung
um vorzugsweise 90 elektrische Grade versetzt ist. Es ist an sich bekannt, bei Synchronmotoren
räumlich versetzte Zusatzerregerwicklungen zu verwenden. Bei diesen Motoranordnungen
hat die räumlich versetzte Zusatzwicklung eine ganz andere Aufgabe als beim Gegenstand
der Erfindung, welche sich auf Generatoren bezieht, zu erfüllen, und zwar bei Antrieben
von Kolbenmaschinen den Ungleichförmigkeitsgrad zu verbessern.
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Wie aus dem Diagramm der Fig. 4 hervorgeht, wird bei der Schaltung
nach der Eifindung jede Änderung des Polradwinkels trägheitslos kompensiert. Die
Erregeranordnung braucht nur so bemessen zu werden, daß die normale Erregerwicklung
und die vom Wirkstrom beeinflußte versetzte Erregerwicklung ein Gesamtfeld ergeben,
welches räumlich die gewünschte Verschiebung gegenüber dem Hauptfeld kompensiert.
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Fig. 3 zeigt eine Schaltung für einen Generator gemäß der Erfindung.
Der Dreiphasengenerator 1 wird vom Motor 2 angetrieben und speist ein Netz
RS TO. Der Generator besitzt eine Erregeranordnung, welche aus zwei Wicklungen
3 und 4 besteht. Die Wicklung 3 ist die normale, an die Erregerspannung 5 über den
Widerstand 24 angeschlossene Wicklung, während 4 die um 90° gegen die letztere versetzte
Zusatzwicklung ist. Die Zusatzwicklung 4 wird nun in Abhängigkeit von dem dem
Generator
1 entnommenen Wirkstrom erregt, wie in der nachstehenden Beschreibung der Regelanordnung
erläutert wird. Mit 6 ist eine phasenempfindliche Meßeinrichtung bezeichnet, welcher
der Strom der Phase T und die Spannung zwischen der Phase T und dem Nulleiter als
Meßgrößen zugeführt werden. Der Stromwandler 13 führt den Strom der Phase T zwei
in Reihe geschalteten Widerständen 12 zu, deren Verbindungspunkt an die Mittelanzapfung
der Sekundärwicklung von 13 angeschlossen ist. Die Gleichrichter 11 und die Kondensatoren
10 verwandeln die an den Widerständen 12 abgenommene Spannung in Gleichspannung,
welche den Widerständen 9 zugeführt wird. An die Verbindungsklemmen der beiden Widerstände
9 ist außerdem über den Spannungswandler 14 eine der Spannung der Phase T verhältnisgleiche
Spannung gelegt. An dem linken Widerstand 9 liegt somit eine Meßgröße, welche verhältnisgleich
dem Betrag der vektoriellen Differenz: Spannung minus Strom der Phase T ist. Am
rechten Widerstand 9 liegt eine Meßgröße, welche verhältnisgleich dem Betrag der
vektoriellen Summe von Strom und Spannung der Phase T ist. Am Widerstand 8 liegt
die (skalare) Differenz der beiden genannten Meßgrößen, welche vom Wirkstrom abhängig
ist. Diese wirkstromabhängige Komponente wird nun über den Kondensator 27 und die
Widerstände 26 der Röhre 24 zugeführt, welche eine weitere Verstärkung über die
Röhre 23 bewirkt. 25 ist ein Widerstand im Gitterkreis der Röhre 23.
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Das Vorschaltglied, bestehend aus Widerstand 26 und Kondensator 27,
ist vorgesehen, da die Erregerwicklung eine bestimmte Zeitkonstante hat.
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Der Anodenstromkreis wird aus einem Spannungswandler 15 über einen
Gleichrichter 16 und einen Stabilisator 18 mit Gleichstrom gespeist. 28 sind zwei
Kondensatoren, und 17 ist der Vorwiderstand für den Stabilisator, während 19 ein
Abschlußwiderstand ist. Außerdem sind noch die üblichen Frequenz- und Spannungsregler
20, 29 und 30 vorgesehen.
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Die versetzte Erregerwicklung 4 erhält also einen Strom aus der Verstärkerröhre
23, welcher durch Abgriff vom Widerstand 8 ein Maß für den Wirkstrom ist. Dadurch
wird bei Entstehen oder Verschwinden von Wirkstrom die schädliche Wirkung einer
Polradwinkelveränderung ausgeschaltet.
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Fig. 3 stellt eine Pokadwinkelkompensation für symmetrische Belastung
dar. Bei unsymmetrischer Belastung sind drei Wirkstrommeßglieder erforderlich, wobei
dann der Mittelwert aus den drei Gliedern gebildet wird, so daß angeschlossene Synchronmotoren
keine Phasendrehung machen können.
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In dem Vektordiagramm Fig. 4 ist die Erregung bei Wirkleistung durch
räumliche Vektoren dargestellt. Der in der Wicklung 3 fließende Grunderregerstrom
ist mit I83 bezeichnet, während der Stromvektor 1e4 den in Abhängigkeit vom
Wirkstrom durch Wicklung 4 fließenden ; Erregerstrom darstellt. Die Summe der Vektoren
ist die Gesamterregung I8, welche gegenüber I83 den Winkel a einschließt. Diese
Gesamterregung r" induziert nun in dem Generator eine elektromotorische Kraft, die
dem Polradvektor um den Winkel a vorauseilt und in der Fig. 2 durch den Vektor EMKR
dargestellt wird, mit anderen Worten, die durch den Vektor EMK dargestellte Spannung
fällt nun mit dem Vektor EMKR zusammen, und das gesamte Vektordiagrasmn rückt um
den Winkel a im Uhrzeigersinne vor. Der Vektor Uk wird somit in die vertikale Richtung
übergehen. Damit ist erreicht, was die Erfindung bezweckt, nämlich, daß der Spannungsvektor
Uk gegenüber dem absoluten Zeitmaß praktisch unverändert bleibt, wenn von einer
Belastung auf die andere übergegangen wird. Der Vektor der Klemmenspannung Uk hat
nämlich etwa dieselbe Richtung wie in Fig. 1.
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Um den Aussteuerungsbereich der das Feld 4 speisenden Röhre 23 zu
kompensieren, kann man eine zusätzliche Erregerwicklung anbringen, welche räumlich
mit der Wicklung 4 zusammenfällt. Gemäß Fig. 5 ist die Charakteristik der Röhre
nicht durchweg linear. Auf der Abszisse ist die Gittervorspannung U9 aufgetragen,
während die Ordinate den durch die Zusatzwicklung 4 fließenden Erregerstrom 1e4
darstellt. Will man im linearen Bereich zwischen den Punkten 40 und 41 arbeiten,
so wird eine Vorspannung gegeben, welche der Ordinate 40 entspricht. In dem Fall
fließt dauernd ein Erregerstrom I, durch die Wicklung 4. Um diesen zu kompensieren,
wird gemäß Fig. 6 die Wicklung 31 angeordnet, welche die gleiche Raumlage hat wie
die Wicklung 4 und durch einen Vorschaltwiderstand 32 auf einen Strom eingestellt
wird, welcher den Strom I, kompensiert. In der Fig. 6 sind die aus der Fig. 3 bekannten
Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Mit 34 ist außerdem die Röhrenspeiseanordnung
15 bis 19 und 28 bezeichnet, während 33 die Röhrengruppe selbst (23 bis 27) einschließt.
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Im Vektordiagramm Fig. 7 entsprechen die Ströme ZB und I', den ebenso
bezeichneten Strömen der Fig. 4. Der durch die zusätzliche Erregerwicklung 31 fließende
Kompensationsstrom ist mit Ieai bezeichnet, und der infolge des niedrigeren Gitterpotentials
erhöhte Strom der Wicklung 4 ist durch den Vektor I84 dargestellt.
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Man kann auch die vorgesehene Anordnung für stärkere Maschinen benutzen,
wenn man gemäß Fig. 8 Verstärkermaschinen 38 und 39, die von einem Motor 37 angetrieben
werden, anordnet. Diese Verstärkermaschinen speisen die Erregerwicklungen 3 und
4, während die Feldwicklungen der Verstärkermaschinen selbst gemäß den in den vorherigen
Abbildungen beschriebenen Regelanordnungen gespeist werden.