-
Überstrombegrenzung bei Generatoren, insbesondere im Leonardbetrieb
In der Steuer- und Regeltechnik ist es üblich, einen Steuerwert durch Vergleich
der Istspannung mit einer Sollspannung zu bilden. Bei einer Anordnung zur Konstanthaltung
der Spannung eines Generators ist es bekanntgeworden, in den Erregerkreis eine Elektronenröhre
einzuschalten, die von einer der Differenz von Soll- und Istwert proportionalen
Spannung gesteuert wird.
-
Wollte man zur Überstrombegrenzung für einen Generator mit je einer
Erregerwicklung für jede der beiden Generatorstromrichtungen derart gesteuerte Elektronenröhren
in den Stromweg einer Felderregung legen, so käme man normalerweise zu umfangreichen
und unwirtschaftlichen Anordnungen. Ebenso ließe sich eine andere bekannte Ausführung,
bei der im Erregerkreis eines Gleichstromgenerators ein magnetfeldabhängiger Widerstand
angeordnet ist, nicht zur Oberstrombegrenzung verwenden, da hier eine Steuerung
im Sinne der Konstanthaltung der Ausgangsspannung des Generators erfolgt.
-
Die bekannten Einrichtungen zur überstrombegrenzung verwenden Relais
bzw. Schütze im Generatorstromkreis, die bei Überschreiten eines vorgegebenen Höchstwertes
des Generatorstromes die Erregung des Generators herabsetzen. Diese Anlagen bedürfen
jedoch einer ständigen Wartung, da die Schaltkontakte der Schütze der Abnutzung
und Verschmutzung unterliegen. Darüber hinaus sind in explosionsgefährdeten Räumen
besondere Aufwendungen erforderlich, um die Funkenbildung an den Kontaktstellen
zu vermeiden oder um die Kontaktstellen einzukapseln.
-
Die Erfindung bringt eine vorteilhafte Verbesserung an einer Oberstrombegrenzung
für einen Generator mit je einer Erregerwicklung für jede der beiden Generatorstromrichtungen,
insbesondere im Leonardbetrieb. Gemäß der Erfindung liegt zwischen je einem Pol
der Erregerspannung und der zugehörigen Erregerwicklung in an sich bekannter Weise
je ein magnetfeldabhängiger Widerstand, der in dem Spalt eines Elektromagneten angeordnet
ist, und die Wicklung des Elektromagneten ist über eine Gleichrichteranordnung mit
einem Generatorstrom-Meßfühler verbunden. Auf diese Weise wird eine überstrombegrenzung
auch dann erhalten, wenn die Meßfühlerspannung infolge Stromumkehr im Generatorstromkreis
ihr Vorzeichen ändert. Es wird gegenüber den bekannten überstrombegrenzern ein kontaktloses
Schalten und außerdem noch eine große Stoß- und Erschütterungsunempfindlichkeit
erzielt, die besonders bei Fahrzeugen eine große Betriebssicherheit gewährleistet.
Im Gegensatz zu der mit einer Elektronenröhre arbeitenden Schaltung wird kein Vergleich
zwischen Soll- und Istwert vorgenommen, so daß keine konstante Vergleichsspannungsquelle
benötigt wird.
-
Es ist vorteilhaft, als magnetabhängigen Widerstand einen solchen
aus einer halbleitenden Verbindung mit einer Trägerbeweglichkeit von etwa 6000 cm2/Vs
oder mehr zu verwenden, da bei diesen Widerstandskörpern eine besonders große Abhängigkeit
der elektrischen Eigenschaften von der Stärke des Magnetfeldes besteht. Zu diesen
halbleitenden Verbindungen gehören besonders solche von der Form All, B" d. h. die
Verbindungen eines Elementes A der 11I. Gruppe mit einem Element B der V. Gruppe
des Periodischen Systems, beispielsweise Indiumarsenid u. dgl.
-
An Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei
das Wesen sowie Einzelheiten der Erfindung näher erläutert. Dabei ist angenommen,
daß es sich um eine Einrichtung zur überstrombegrenzung bei Leonardantrieben handelt,
die für den Antrieb von Seefahrzeugen eingesetzt sind. Der die Schiffsschraube antreibende
Propellermotor 1 wird von dem Leonardgenerator 2 gespeist. In dem Ausführungsbeispiel
nach der Figur liefert die Erregung des Leonardgenerators 2 eine Erregermaschine
3 mit ihren Erregerwicklungen 3 a und 3 b. Je nachdem welche Erregerwicklung eingeschaltet
ist, wird der Leonardgenerator 2 so gesteuert, daß der Propellerantriebsmotor
1 vorwärts oder rückwärts läuft. Der die Erregung des Generators beeinflussende
steuerbare Halbleiterwiderstand ist in den Stromkreis der
Erregerwicklung
3 a bzw. 3 b geschaltet. Statt dessen ist es natürlich
grundsätzlich auch möglich, den Halbleiterwiderstand direkt in den Ankerstrom des
Erregergenerators 3, d. h. in den Erregerstromkreis des Leonardgenerators
2, zu schalten.
-
Zur überstrombegrenzung wird in jedem Erregerstromkreis ein magnetfeldabhängiger
Widerstand angeordnet, der in Abhängigkeit von der Stärke eines vom Generatorstrom
erzeugten Magnetfeldes steuerbar ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist in den beiden Erregerkreisen für Vor- und Rückwärtsfahrt je ein magnetfeldabhängiger
Widerstand 14 und 15 eingeschaltet, der in dem Luftspalt eines magnetischen
Kreises 141 bzw. 151 angeordnet ist. Das Magnetfeld wird von der Hallspannung
eines vom Magnetfeld des Generatorstromes gesteuerten Hallspannungserzeugers
16 gespeist. Wird der Steuerstrom Ist des Hallgenerators 16 konstant
gehalten, so ist die abgegriffene Hallspannung ein direktes Maß für die Größe des
auf den Hallspannungserzeuger einwirkenden magnetischen Feldes und somit ein Maß
für die Größe des dieses Feld beispielsweise in einer Wicklung 161 hervorrufenden
Generatorstromes.
-
Es ist vorteilhaft, als Generatorstrom-Meßfühler 16, 161 einen
Hallgenerator zu verwenden, d. h. einen Halbleiterkörper mit einer Trägerbeweglichkeit
von mindestens 6000 cmQ/Vs oder mehr, da ein solcher hallspannungsseitig belastbar
ist, d. h. die Hallspannung unmittelbar zur Speisung der das Erregerfeld der magnetabhängigen
Widerstände 14 und 15
liefernden Wicklungen 142 bzw.
152 verwendet werden kann. Bei Verwendung eines Hallspannungserzeugers, der
aus einem Halbleiterkörper mit kleinerer Trägerbeweglichkeit besteht, wie beispielsweise
Germanium, wäre nur eine indirekte Speisung der Wicklungen 142,152 möglich, da im
anderen Fall die Hallspannung zusammenbrechen würde.
-
Die Verwendung von Hallgeneratoren als Meßfühler ist an sich bekannt.
Man hat derartige Meßfühler bei einer Vorrichtung zur Drehmomentbegrenzung in dem
Luftspalt von Elektromaschinen angeordnet. Bei der überstrombegrenzung nach der
Erfindung ist der Generatorstrom-Meßfühler außerhalb des Generators angeordnet.
Auf diese Weise läßt sich die erfindungsgemäße Überstrombegrenzung auch nachträglich
leicht in Anordnungen einbauen.
-
Die im Ausgangskreis des Hallgenerators vorgesehene Gleichriohteranordnung
17 dient im wesentlichen zur Schwellwertbildung. Durch Veränderung ; des Steuerstromes
Ist kann die Hallspannung so eingestellt werden, daß sie bis zur Größe des Generator-Nennstromes
die Schwellspannung der Gleichrichteranordnung 17 nicht erreicht, so daß
die Halbleiterwiderstände 14 und 15 nicht erregt sind und ihren ; kleinsten
Widerstandswert besitzen. Bei überschreiten des Nennstromes übersteigt die Hallspannung
die Schwellspannung der Gleichrichteranordnung 17, und das Magnetjoch
141 bzw. 151 der magnetfeldabhängigen Widerstände 14 und
15 wird erregt. Dadurch erhöht sich der Widerstand im Erregerkreis der Erregermaschine
3, so daß der Generatorstrom herabgesetzt wird.
-
Statt die Wicklung 142 an den Hallgenerator 16 anzuschließen,
ist @ es auch möglich, die Erregerwicklung 142 bzw. 152 mit dem Spannungsabfall
eines im Generatorstromkreis angeordneten Widerstandes zu speisen. Dabei ist jedoch
dafür Sorge zu tragen, daß der Spannungsabfall an diesem Widerstand weitgehend proportional
der Stärke des Generatorstromes ist und bei Änderungen der Temperatur und anderen
Einflüssen nur unwesentlichen Schwankungen unterliegt. In gewissen Fällen ist es
auch möglich, das Magnetjoch 141 bzw. 151 unmittelbar durch den Generatorstrom,
beispielsweise nach Art eines Stromwandlers, zu erregen.
-
Es ist vorteilhaft, die überstrombegrenzung nach der Erfindung mit
einer an anderer Stelle vorgeschlagenen überstrombegrenzung zu kombinieren, die
hier lediglich die Funktion der Kurzschlußstrombegrenzung übernimmt. Die Kurzschlußstrombegrenzung
erfolgt in diseem Fall durch je einen in den Erregerstromkreisen angeordneten Halbleiterwiderstand
4
bzw. 5, welcher in Abhängigkeit von dem Spannungsabfall des Generatorstromes
an einem im Generatorstromkreis angeordneten Widerstand steuerbar ist. Dabei dient
in dem Ausführungsbeispiel zur Steuerung des Halbleiterwiderstandes der Spannungsabfall
an der Wendepolwicklung 2a des Leonardgenerators 2. Die Widerstandsänderung
der Wendepolwicklung infolge Temperaturschwankungen kann bei der Kurzschlußstrombegrenzung
unberücksichtigt bleiben, da die Kurzschlußströme die Nennströme um ein Vielfaches
überschreiten, während die Widerstandsänderung der Wendepolwicklung kaum mehr als
20 % beträgt. Als Halbleiterwiderstand ist in diesem Fall ein Transistor verwendet,
und zwar ein Flächentransistor vom Typ p-n-p, in der sogenannten Emitterschaltung.
Statt dessen kann auch ein anderer Transistortyp oder eine andere Transistorschaltung
verwendet werden. Die zusätzliche Schutzeinrichtung bewirkt eine sofortige Entregung
bei einem plötz-lichen Überstrom, der durch einen Kurzschluß hervorgerufen
werden kann.
-
Die Wendepolspannung des Leonardgenerators 2 wird über einen Brückengleichrichter
6 einem Potentiometer 7 zugeführt. Dabei ist in diesem Fall der Gleichrichter
vorgesehen, um sowohl bei Vorwärtsals auch bei Rückwärtsfahrt eine eindeutige Steuerung
der Transistoren 4 und 5 zu erreichen. Die Transistoren werden von der Differenz
der am Potentiometer 7 anliegenden Wendepolspannung U= und einer festen Steuerspannung
U1 gesteuert, die aus der Spannungsquelle 8 geliefert wird. Ist
das Potentiometer 7 so eingestellt, daß bis zur Erreichung des Nennstromes
im Generatorkreis die Spannung U, größer ist als UV so sind die beiden Transistoren
4 und 5 geöffnet. Sobald ein Kurzschluß im Generatorkreis auftritt und der Strom
ansteigt, wird die Spannung U2 größer als die Spannung U1, d. h., die Basis der
Transistoren 4 und 5 wird positiv gegenüber dem Emitter, so daß die Transistoren
sperren. Damit wird aber die Erregermaschine 3 und somit auch der Leonardgenerator
2 nicht mehr erregt, so daß der Kurzschlußstrom absinkt. Die Gleichrichteranordnung
9 bewirkt eine Trennung der beiden Erregerstromkreise.