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Anordnung zur positiven oder negativen Erregung von Synchronmaschinen
mit Hilfe einer Erregermaschine und einer Verstärkermaschine Zur Regelung des Erregerstromes
elektrischer Maschinen, also beispielsweise des Erregerstromes von Leonardgeneratoren
oder auch von Synchrongeneratoren, werden in immer stärkerem Maße Gleichstromverstärkermaschinen
benutzt, da diese Maschinen infolge ihres hohen Verstärkungsgrades die Möglichkeit
bieten, mit sehr kleinen Steuerströmen die betreffenden elektrischen Maschinen zu
regeln. Beispielsweise sind solche als Querfeldmaschinen ausgebildeten Gleichstromverstärkermaschinen
unter dem Namen Amplidyne bekannt. Eine andere Verstärkermaschine ist die unter
dem Namen Rototrol bekannte Verstärkermaschine; in ihrer ersten Stufe erzeugt die
Steuererregerwicklung an gleichnamigen Hauptpolen einen Zusatzfluß, der am einen
Pol die normale Erregung schwächt und am anderen verstärkt, so daß an gleichnamigen
Bürsten eine Potentialdifferenz erzeugt wird, deren Spannung zur Speisung der Haupterregung
der Maschine dient. Bei anderen Arten von Verstärkermaschinen sind auf demselben
Anker- und Magneteisen zwei verschiedenpolige und mit gesonderten Kommutatören versehene
Wicklungssysteme untergebracht, von denen das eine die Erregung für das zweite Wicklungssystem
liefert.
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Die Verstärkermaschinen müssen für die Erregung der elektrischen Maschine
oft eine in der Richtung umkehrbare Spannung erzeugen, beispielsweise weil die Spannung
des zu regelnden Leonardgenerators bei der Umkehr der Drehrichtung der gespeisten
Motoren die Richtung betriebsmäßig umkehren soll oder weil die von der Verstärkermäschine
abgegebene Spannung in Zu- und Gegenschaltung mit einer weiteren Gleichspannung
wirken soll. Dies ist der Fall, wenn die Verstärkermaschine in dem Nebenschluß-Erregerkreis
einer Gleichstrommaschine, z. B. einer Haupterregermaschine, liegt, wobei der Strom
dieses Nebenschluß-Erregerkreises im normalen stabilen Betrieb von der am Anker
der Gleichstrommaschine abgegriffenen Spannung erzeugt wird und die Gleichstrommaschine
dabei im indifferenten Gleichgewichtszustand arbeitet. Die Einschaltung der Verstärkermaschine
in den Nebenschluß-Erregerkreis bietet dabei den Vorteil, daß die Leistung der Verstärkermaschine
vorzugsweise zum beschleunigten Aufbau und Abbau des magnetischen Feldes in der
Häupterregermasehine verwendet werden kann, weil bei richtiger Wahl der Widerstandsgeraden
des Erregerkreises die Maschinenverluste stets- durch die Haupterregermaschine selbst
gedeckt werden. Im ausgeregelten Zustand braucht die Verstärkermaschine nur noch
die kleinen Spannungen zum Stabilisieren des erreichten Zustandes aufzubringen.
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Es ist bekannt, daß man eine eine Synchronmaschine erregende Verstärkermaschine
mit zwei Erregerwicklungen ausrüstet, die in Differenzschaltung arbeiten. Die beiden
Erregerwicklungen der Gleichstromverstärkermaschine werden hierbei über zwei Gleichrichter
mit einem von der Spannung nahezu unabhängigen und einem von ihr stark abhängigen
Strom gespeist. Nachteilig ist, daß durch die Differenzbildung mit Hilfe der beiden
Erregerwicklungen die Abmessungen der Maschine stark vergrößert werden, weil die
algebraische Summe der Durchflutungen beider Wicklungen untergebracht werden muß,
jedoch lediglich die algebraische Differenz dieser Durchflutungen wirksam ist. Soll
hierbei der Aufwand in einigermaßen vertretbaren Grenzen bleiben, so bleibt die
Genauigkeit der Spannungsregelung beschränkt. Es ist auch bereits vorgeschlagen
worden, die beiden Wicklungen zu einer einzigen zu vereinigen. Da aber hierbei keine
Verkleinerung der gegeneinandergeschalteten Differenzleistungen eintritt, wird hiermit
keine Erhöhung der Spannungsgenauigkeit erreicht.
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Weiterhin- ist es bei Konstantstrommaschinen, sogenannten Metadynen,
bekannt, eine Erregerwicklung über eine Brückenschaltung, die sowohl aus konstanten
als auch aus ihren Widerstandswert mit der Belastung ändernden Widerständen besteht,
durch eine Tachometermaschine des von der Metadyne erregten Hauptmotors zu speisen.
Bei dieser Anordnung soll die Metadyne aber nicht eine in der Richtung umkehrbare
Spannung erzeugen. Demzufolge beeinflußt die über die Brückenschaltung gespeiste
Erregerwicklung
zwar die Erregung der Metadvne, ändert aber nicht
die Richtung dieser Erregung.
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Man ist neuerdings dazu übergegangen, den Erregerstrom negativ werden
zu lassen, so daß also das der Gleichstromerregung entsprechende Feld die entgegengesetzte
Richtung besitzt wie das in der Maschine effektiv vorhandene, die innere Gegenspannung
erzeugende Feld. Zur Erzeugung des letztgenannten Feldes muß dann die Synchronmaschine
aus dem Netz einen straken Magnetisierungsstrom aufnehmen, so daß sie als Drosselspule
wirkt. Auf diese Weise kann man die Synchronmaschine bei positiver Gleichstromerregung
Blindstrom an das Netz abgeben lassen, während sie bei negativer Erregung Blindstrom
aus dem Netz bezieht.
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Die Erfindung befaßt sich mit der positiven oder negativen Erregung
von Synchronmaschinen mit Hilfe, einer Haupterregermaschine und einer eine ein-zige
Erregerwicklung aufweisenden Verstärkermaschine in Boosterschaltung unter Verwendung
eines Schnellreglers an sich bekannter Bauart, insbesondere eines Wälzreglers, dessen
Widerstand mit steigender Spannung zunimmt. Die Erfindung sieht vor, den Stromkreis
der Erregerwicklung der Verstärkermaschine über zwei Widerstände zu schließen, von
denen einer der Schnellregler ist; an diesen _ Widerständen werden dann durch zusätzliche
Mittel, beispielsweise durch Widerstände, Gleichrichter usw., einander entgegengesetzte
Spannungsabfälle erzeugt, so daß die Erregerwicklung der Verstärkermaschine mit
der Differenz dieser Spannungsabfälle beaufschlagt wird.
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Es sind zwar bereits Schaltungen bekanntgeworden, bei denen mit Hilfe
von Wälzreglern ein Strom im positiven und im negativen Bereich geregelt wird. Beispielsweise
hat man hierzu einen Viersektorenregler oder auch Wälzregler mit Mittelanzapfungen
verwendet. lachteilig bei diesen Anordnungen ist, daß die Regler als Spannungsteiler
wirken, so daß die von ihnen abgegebene Leistung nur einen Bruchteil der zugeführten
Leistung beträgt.
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Demgegenüber ist bei der Anordnung gemäß der Erfindung der Regler
als einfacher Widerstandsregler ausgeführt, dessen Widerstand mit steigender Spannung
zunimmt. Da die Leistungsgrenzen von Wälzreglern mit Rücksicht auf ein funkenfreies
Arbeiten sehr eingeengt sind, bringt die Anordnung gemäß der Erfindung eine wesentliche
Heraufsetzung der Generatorleistung mit sich, bei der einfache Wälzregler noch angewendet
werden können.
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Zur Erläuterung der Erfindung sind als Ausführungsbeispiele in den
Fig. 1 und 2 gemäß der Erfindung ausgebildete Schaltungsanordnungen wiedergegeben.
In der Fig. 1 wird der Synchrongenerator 1 von der Haupterregermaschine 2 erregt.
Die Erregerwicklung der Haupterregermaschine 2 ist im Nebenschluß zum Anker geschaltet.
In Reihe zu dieser Erregerwicklung liegt in sogenannter Boosterschaltung die Gleichstromverstärkermaschine
3, die beispielsweise als Querfeldmaschine (Amplidyne) ausgebildet ist. Die Verstärkermaschine
3 ist mit der Kompensationswicklung 4 und der Erregerwicklung 5 ausgerüstet.
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Die Erregerwicklung 5 der Verstärkermaschine 3 wird von den Spannungsabfällen
am Wälzlager 20 und an dem mit ihm in Reihe geschalteten Widerstand 12 gespeist.
Parallel zum Wälzregler 20 liegt hierbei über den Widerstand 33 die konstante Gleichspannung
24 der Hilfserregermaschine 6. Der Widerstand 12 wird demgegenüber über die
Gleichrichteranordnung 8 und den Transformator 22 von der Spannung des Synchrongenerators
1 gespeist. Der Widerstand 33 wird vorteilhafterweise derart bemessen, daß sein
Leistungsverbrauch ein Vielfaches des Leistungsverbrauchs des Wälzreglers 20 bzw.
der Erregerwicklung5 ist, so daß der über den Widerstand33 fließende Strom nahezu
konstant ist. Bei voller Erregung der Erregerwicklung 5 in der einen Richtung ergibt
sich dann für den Wälzregler 20 ein Leistungsverbrauch, der nur etwa doppelt so
groß wie der der Erregerwicklung 5 ist.
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Werden der Wälzregler 20 und der Widerstand 12 jeweils von einem Strom
gleicher Größe durchflossen, beispielsweise der Widerstand 12 von einem von oben
nach unten gerichteten Strom und der Wälzregler 20 von einem von unten nach oben
gerichteten Strom, so herrscht am oberen Ende des Widerstandes 12 und am unteren
Ende des Wälzreglers 20 das gleiche Potential, so daß die Erregerwicklung 5 stromlos
ist. Beim Ab-
sinken der Generatorspannung sinkt das Potential am oberen Ende
des Widerstandes 12 ab, so daß infolge der Differenzwirkung der einander entgegengerichteten
Spannungsabfälle am Wälzregler 20 und am Widerstand 12 die Erregerwicklung 5 vom
Strom durchflossen wird: Unter dein Einfluß dieser Erregerwicklung entwickelt die
Verstärkermaschine 3 seht schnell Spannung in der Höhe des Nennwertes und darüber.
Infolgedessen kommt auch die Haupterregermaschine 2 schnell auf Spannung, und die
Spannung des Synchrongenerators 1 beginnt zu .steigen, bis der Sollwert der Generatorspannung
erreicht ist. Da bei jedem Abweichen der Spannung -des Synchrongenerators 1 vom
Sollwert die Erregung der Verstärkermaschine 3 nach der einen oder anderen Richtung
ansteigt, wird der dem Sollwert entsprechende Zustand sehr wirksam stabilisiert.
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Bei als Schenkelpolmaschinen ausgebildeten Synchronmaschinen darf
der negative Erregerstrom mit Rücksicht auf das Reaktionsmoment einen gewissen Wert
nicht überschreiten, da sonst die Gefahr besteht, daß die Maschine kippt. Zur Begrenzung
des negativen Erregerstromes ist daher im Ausführungsbeispiel der Fig.2 in den Erregerstromkreis
des Synchrongenerators 1 der Widerstand 11 eingeschaltet. Der an diesem Widerstand
abgegriffene Spannungsabfall wird der über den Vorwiderstand 9 von der Spannung
des Synchrongenerators 1 gespeisten Reglerspule 7 des Wälzreglers 20 über
die Sperrzelle 10 derart parallel geschaltet, daß bei zu großem negativem
Erregerstrom dem Vorwiderstand 9 und der Reglerspule 7 ein zusätzlicher Strom überlagert
wird, der die Spannung an der Reglerspule herabsetzt. Sobald der Spannungsabfall
am Vorwiderstand 11 infolge Zunahme des negativen Haupterregerstromes größer wird
als der durch die Generatorspannung über den Gleichrichter 8 am Vorwiderstand 9
erzeugte Spannungsabfall, bekommt die Reglerspule 7 eine kleinere Generatorspannung
vorgetäuscht und läßt keine weitere Zunahme des Haupterregerstromes ins Negative
mehr zu.
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Auf die gleiche Weise kann man auch den negativen Erregerstrom der
Haupterregermaschine begrenzen, so daß dieser Strom durch die Verstärkermaschine
nicht auf zu hohe Werte gefahren werden kann. Zu diesem Zweck ist im Erregerstromkreis
der Haupterregermaschine 2 der Shunt 23 vorgesehen, der über die Sperrzelle 16 in
der gleichen Weise auf den Spannungsabfall am Vorwiderstand 9 einwirkt wie der am
Widerstand 11 abgegriffene Spannungsabfall über die Sperrzelle 10. Eine Begrenzung
des positiven Erregerstromes erfolgt durch den ebenfalls am Shunt 23 abgegriffenen
Spannungsabfall
mit Hilfe der Sperrzelle 17. Sobald der Erregerstrom der Haupterregermaschine 2
einen gewissen Wert erreicht hat, beginnt der Spannungsabfall an der Erregerspule
anzuwachsen und am Vorwiderstand 9 abzunehmen. Der Regler erhält dadurch eine höhere
Generatorspannung vorgetäuscht und läßt dann kein weiteres Anwachsen des positiven
Erregerstromes der Haupterregermaschine mehr zu. Bei der Anordnung nach der Erfindung
lassen sich also alle den Erregerstrom des Hauptgenerators oder den Erregerstrom
der Haupterregermaschine begrenzenden Maßnahmen mit Hilfe des vorgesehenen Wälzreglers
durchführen.
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Der erforderliche Aufwand geht aus folgenden Angaben hervor: Beträgt
z. B. die Erregerleistung der V erstärkermaschine 10 Watt, was je nach Verstärkungsgrad
einer Leistung der Verstärkermaschine von 2 bis 10 kW entspricht, so kann man mit
einer Reglerleistung von etwa 25 bis 30 Watt die Erregerwicklung 5 mit der vollen
Erregerleistung nach beiden Richtungen beaufschlagen und kann damit das Feld in
der Haupterregermaschine mit der vollen Leistung der Verstärkermaschine in beiden
Richtungen hinauf- und hinunterfahren. Es ist hierbei angenommen, daß der ohmsche
Spannungsabfall im Erregerkreis der Haupterregermaschine stets durch deren Klemmenspannung
gedeckt wird, d. h. daß die Widerstandsgerade des Erregerkreises so gut als möglich
mit der Spannungs-Erregerstrom-Kennlinie zusammenfällt.
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In der Fig.2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer gemäß der
Erfindung ausgebildeten Schaltungsanordnung wiedergegeben, das gemäß der Schaltungsanordnung
nach Fig. 1 noch weiter vereinfacht ist. Bei dieser Anordnung ist die in der Schaltungsanordnung
der Fig. 1 benötigte Hilf serregermaschine 6 nicht erforderlich. Neben dem Widerstand
12 und dem Wälzregler 20 sind hierbei für den Stromkreis der Erregerwicklung 5 noch
die Widerstände 21 und 13 vorgesehen. Die genannten drei Widerstände bilden mit
dem Wälzregler 20 eine Brückenschaltung, in deren Diagonalzweig sich die Erregerwicklung
5 befindet. Diese Brückenschaltung wird über die Gleichrichteranordnung 8 ausschließlich
von der Spannung des Synchrongenerators 1 gespeist. Von der Gleichrichteranordnung
8 wird auch die Steuerspule 7 des Wälzreglers 20 gespeist, die in Reihe mit dem
Vorwiderstand 9 geschaltet ist. Die positive Erregung wird hierbei durch den Spannungsabfall
am Widerstand 12 bewirkt, die negative Erregung dagegen durch den Spannungsabfall
am Wälzregler 20. Der Widerstandswert des Wälzreglers 20 kann dabei mit der Netzspannung
zu- und abnehmen. Steigt die positive Erregung unter dem Einfluß des Spannungsabfalls
am Widerstand 12 zu sehr an, dann vergrößert die steigende Generatorspannung über
die Steuerspule 7 den Spannungsabfall am Wälzregler 20.
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Die Begrenzung des negativen Erregerstromes und -les Erregerstromes
der Haupterregermaschine wird :n der gleichen Weise wie bei der Schaltungsanordi:ung
der Fig. 1 über die Sperrzellen 10, 16 und 17 vorgenommen.
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Die Einleitung der Erregung kann mit Hilfe der Nebenschlußerregung
der Haupterregermaschine durch eine geringere Neigung der Widerstandsgeraden, beispielsweise
durch Kurzschließen des Widerstandes 23, erfolgen. Auch durch eine Selbsterregung
der Verstärkermaschine kann die Erregung eingeleitet und bei Spannungseinbrüchen
gesichert werden. Eine solche Maßnahme besteht beispielsweise in einer überbemessung
der Kompensationswicklung 4, so daß diese eine zusätzliche Reihenschlußerregerwicklung
darstellt und dadurch im Sinne einer Selbsterregung (Kömpouridierung) der Verstärkermaschine
wirkt.