DE1072727B

DE1072727B - Spannungs- und lastabhängig erregte kompoundierte Synchronmaschine

Info

Publication number: DE1072727B
Application number: DENDAT1072727D
Authority: DE
Inventors: Bremen Dipl -Ing Werner Droste und Dipl -Ing Heinz Janzen
Original assignee: Lloyd Dynamowerke Aktiengesellschaft, Bremen
Publication date: 1960-01-07

Description

Spannungs- und lastabhängig erregte kompoundierte Synchronmaschine Eine an einem starren Netz angeschlossene Synchronmaschine entnimmt dem Netz einen Wirkstrom, der proportional dem an seiner Welle abgenommenen Drehmoment ist (Motorbetrieb), oder liefert in das Netz einen Wirkstrom, der dem an seiner Welle aufgebrachten Drehmoment proportional ist (Generatorbetrieb). Was die Phasenlage des Blindstromes betrifft, so hängt sie davon ab, ob die Maschine über-oder untererregt ist. Die Übererregte Maschine wirkt auf das Netz wie ein Kondensator, die untererregte Maschine wie eine Drossel.
Häufig wind in der Praxis gefordert, daß ein Blindstrom aufgenommen werden soll, der in einem festen Verhältnis zu dem aufgenommenen Wirkstrom steht, daß also die Maschine mit einem konstanten Leistungsfaktor (cos 9) arbeitet.
Ein solcher konstanter oder annähernd konstanter Leistungsfaktor kann z. B. dadurch erreicht werden, daß man den cos 99 ständig mißt, diesen Istwert mit dem gewünschten Sollwert vergleicht und dann mit einem von der Differenz zwischen Soll- und Istwert abhängigen Regelfaktor in geeigneter Weise die Erregung der Maschine beeinflußt. Diese Art der cos-9 Regelung ist aber mit einem erheblichen Aufwand an Regel- und Verstärkungseinrichtungen verknüpft.
Es sind schon selbsterregte kompoundierte Synchrongeneratoren mit zusätzlicher Regelung vorgeschlagen worden, bei denen die Erregereinrichtung für jeden Belastungszustand eine Erregung liefert, wie sie nötig ist, um die Klemmenspannung aufrechtzuerhalten. Beim Betrieb einer solchen Maschine am Netz besteht jedoch die Gefahr, daß die Maschine bei Änderung der Netzspannung entweder in den kapazitiven Bereich kippt (Untererregung) oder einen zu großen nacheilenden Blindstrom ins Netz liefert (Übererregung).
Dieser unerwünschte Effekt ist zwar dadurch zu verhindern, daß man mit einem vom Blindstrom abhängigen Regelfaktor die Erregung so beeinflußt, daß diese bei großen nacheilenden Blindströmen erniedrigt und bei kleinen nacheilenden Blindströmen erhöht wird, doch ist damit die genaue Einhaltung eines vorgegebenen Leistungsfaktors ohne weitere zusätzliche Maßnahmen dann nicht möglich, wenn sich die Netzspannung oder das Drehmoment an der Generatorwelle ändert.
Es sind ferner selbsterregte und kompoundierte Synchrongeneratoren bekannt, deren Erregereinrichtung einen Erregerstrom liefern, der der jeweiligen verschiedenen Größe und verschiedenen Phasenlage des Belastungsstromes entspricht. Hierbei ist der Erregerstrom so von der Belastung abhängig gemacht, daß die Erregerstromcharakteristik der Erregungseinrichtung .möglichst genau der Erregerstromcharakteristik der Maschine entspricht. Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, eine Erregereinrichtung zu schaffen, die zu jedem an der Synchronmaschinenwelle abgenommenen Drehmoment und damit zu jedem Wirkstrom, den die Maschine aufnimmt, einen solchen Erregerstrom liefert, daß ein dem Wirkstrom proportionaler Blindstrom fließen muß.
Die Erfindung ist im wesentlichen gekennzeichnet durch ein Erregergerät, dessen Blindstrom-Erregerstrom-Charakteristik für jeden Wirkstrom die entsprechende Blindstrom-Erregerstrom-Charakteristik der Synchronmaschine in einem definierten, stabilen Schnittpunkt kreuzt.
Gemäß einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird ein Erregergerät vorgeschlagen, das zum Erreichen eines konstanten Leistungsfaktors cos 9p der Synchronmaschine die spannungsproportionale und die lastproportionale Erregungskomponente unter einem Winkel a = 2 cp -90° addiert.
Die Addition der beiden Erregungskomponenten in dem Erregergerät unter dem Phasenwinkel a kann beispielsweise auf die folgenden verschiedenen Arten erreicht werden 1. Die die Lastkomponente liefernden Stromwandler werden gegenüber den die spannungsproportionale Komponente liefernden Drosseln zyklisch phasenvertauscht an die Gleichrichteranordnung des Erregergerätes angeschlossen.
2. In an sich bekannter Weise werden die Drosseln für die spannungsproportionale Komponente im Stern und in ebenfalls an sich bekannter Weise die Stromwandler für die Lastkomponente im Dreieck oder Zickzack geschaltet. 3. Der die spannungsproportionale Komponente liefernde Teil des Erregergerätes kann in an sich bekannter Weise aus einer Kombination von Wirk-und/oder Blindwiderständen gebildet sein.
4. Die die spannungsproportionale Komponente liefernden Impedanzen des Erregergerätes werden an eine Spannung gelegt, deren Phasenlage durch entsprechend geschaltete Transformatoren geändert ist.
5. Die die spannungsproportionale Komponente liefernden Impedanzen des Erregergerätes werden über einen Drehtransformator gespeist.
Damit die Synchronmaschine der Erfindung als Generator in der erforderlichen Weise sowohl parallel mit dem Netz arbeiten als auch im Einzelbetrieb eine Anzahl von Verbrauchern speisen kann, wird ferner vorgeschlagen, das Erregergerät mit einem Umschalter zu versehen, der die Erregerschaltung so abändert, daß der Synchrongenerator als Konstantspannungsgenerator arbeitet.
Um besonders hohen Anforderungen an die Konstanz des Leistungsfaktors zu genügen, kann- gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung ein zusätzlicher Regler, der über einen Soll-Ist-Vergleich des Leistungsfaktors den Erregerstrom beeinflußt, z. B. ein Magnetverstärker, parallel zu den die spannungsproportionale Komponente liefernden Impedanzen gelegt werden.
Die Zeichnung zeigt in den Fig. 1, 4, 5 und 6 verschiedene beispielsweise Schaltungen des Erregergerätes einer Synchronmaschine nach der Erfindung, in Fig.2 ein Vektordiagramm zur Darstellung der Addition der Erregungskomponenten und in Fig. 3 einige einander zugeordnete Blindstrom-Erregerstrom-Charakteristiken des Erregergerätes und der Synchronmaschine.
In Fig. 1 liefern die Luftspaltdrosseln 10 den von der Spannung abhängigen Leerlauferregerstrom und die Stromtransformatoren 11 einen vom Maschinenstrom abhängigen Strom. Die beiden Anteile werden so miteinander summiert, wie dies aus dem Vektordiagramm der Fig. 2 zu ersehen ist, in dem JL die spannungsproportionale Komponente, JW die lastproportionale Komponente, JBl die Blindstromkomponente und Je den durch geometrische Addition erhaltenen Erregerstromvektor darstellt. Die auf diese Weise hergestellte geometrische Summe Ie der Erregungskomponenten-wird dann über den Gleichrichter 12 der Polradwicklung 13 der Synchronmaschine 14 zugeführt.
Bei der Schaltung nach Fig. 1 ist der Winkel a, unter dem die spannungsproportionale und die lastproportionale Komponente addiert werden, gleich -30°, wenn hinsichtlich der Vorzeichen die Drehung der Vektoren im Uhrzeigersinn als negativ angesehen wird. Der sich einstellende Leistungsfaktor ist abhängig vom Winkel a, und zwar gilt die Beziehung a = 2 9 -90°, woraus sich mit der Schaltung nach Fig. 1 ein Leistungsfaktor der Synchronmaschine von 0,866 ergibt.
In Fig. 3 ist der Blindstrom JBl über den Erregerstrom Ie mit dem Wirkstrom JW als Parameter gezeichnet. Die dick ausgezogenen Kurven gelten, bei Vernachlässigung des Einflusses der Sättigung, für die Synchronmaschine am Netz. Die dünn ausgezogenen Kurven gelten für das Erregergerät. Die jeweils für den gleichen Wirkstrom geltenden zusammengehörigen Kurvenpaare schneiden sich so, daß das Verhältnis JW ₧ JBl und damit der Leistungsfaktor, unabhängig von der Größe des Wirkstromes, konstant bleibt.
In Fig. 4 ist das Schaltbild nach Fig. 1 durch einen Umschalter erweitert, mit dem die Phasenvertauschung aufgehoben werden kann. Die Schalterstellung I gilt für den Parallelbetrieb mit dem Netz bei konstantem Leistungsfaktor. Die Schalterstellung II gilt für den Alleinbetrieb der Maschine zum Erzielen einer Erregung für konstante Spannung.
Fig. 5 zeigt eine Schaltung nach Fig. 1, bei der der spannungsproportionale Erregeranteil zusätzlich beeinflußt wird, daß parallel zu den festen Impedanzen 10 ein steuerbares Schaltelement 15, z. B. ein Magnetverstärker, liegt, das einen Strom führt, dessen Größe durch den Regler 16 in Abhängigkeit von der Abweichung A cos 9 des Istwertes vom Sollwert des Leistungsfaktors gesteuert wird.
Nachdem Prinzipschaltbild der Fig. 6 arbeitet die - hier nur angedeutete - Erregeranordnung 18 nicht unmittelbar auf die Erregerwicklung 13 der Synchronmaschine 14, sondern auf die Feldwicklung 19 der Erreger- oder Verstärkermaschine 20. Dies hat den Vorteil, daß ein Erregergerät geringer Typenleistung für die Bildung des Erregerstromes der Synchronmaschine ausreicht.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Spannungs- und lastabhängig erregte kompoundierte Synchronmaschine, bei der wechselstromseitig die spannungsproportionale und die lastproportionale Komponente der Erregung geometrisch addiert werden, gekennzeichnet durch ein Erregergerät, dessen Blindstrom-Erregerstrom-Charakteristik die entsprechende Blindstrom-Erregerstrom-Charakteristik der Synchronmaschine für jeden Wirkstrom in einem definierten, stabilen Schnittpunkt kreuzt.
2. Synchronmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Erregergerät, das zum Erreichen eines konstanten Leistungsfaktors cos ( der Maschine die beiden Erregungskomponenten unter einem Winkel a = 2 ( -90° addiert.
3. Synchronmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Lastkomponente liefernden Stromwandler gegenüber den die spannungsproportionale Komponente liefernden Drosseln zyklisch phasenvertauscht an die Gleichrichteranordnung des Erregergerätes angeschlossen sind.
4. Synchronmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseln für die spannungsproportionale Komponente in an sich bekannter Weise im Stern und die Stromwandler für dieLastkomponente in an sich bekannterWeise im Dreieck oder Zickzack geschaltet sind.
5. Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die spannungsproportionale Komponente liefernde Teil des Erregergerätes in an sich. bekannter Weise aus einer Kombination von Wirk- und/oder Blindwiderständen besteht.
6. Synchronmaschine nach einem derAnsprüche 1 bis 5, daldurch gekennzeichnet, daß die die spannungsproportionale Komponente liefernden Impedanzen des Erregergerätes an eine Spannung gelegt sind, deren Phasenlage durch entsprechend geschaltete Transformatoren geändert ist.
7. Synchronmaschine nach einem derAnsprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die spannungsproportionale Komponente liefernden Impedanzen des Erregergerätes über einen Drehtransformator gespeist werden. B.
Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 7, gekennzeichnet durch einen Umschalter im Erregergerät, der die Erregerschaltung so abändert, daß die Synchronmaschine nach Umschaltung als Konstantspannungsgenerator arbeitet.
9. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Regler, z. B. einen Magnetverstärker, parallel zu den die spannungsproportionale Komponente liefernden Impedanzen, der über einen Soll-Ist-Vergleich des Leistungsfaktors den Erregerstrom beeinflußt, um etwa noch bestehende Abweichungen zu vermindern oder zu beseitigen.
10. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Erregergerät gelieferte Gleichstrom die Feldwicklung einer !den Erregerstrom der Synchronmaschine liefernden Erreger- oder Verstärkermaschine speist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1038 175.