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Synchrongenerator mit Erregung durch Kompoundierung und zusätzlicher
Regelung Die Erfindung bezieht sich auf einen Synchrongenerator mit Erregung durch
Kompoundierung und zusätzlicher Regelung, wozu einer ersten Gleichrichterschaltung,
über die eine lastabhängige und eine spannungsabhängige Erregerkomponente in die
Erregerwicklung eingespeist wird, eine zweite Gleichrichterschaltung parallel geschaltet
ist, die einen zusätzlichen Erregerstrom in Abhängigkeit von der Abweichung der
Generatorspannung von ihrem Sollwert liefert.
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Bei einem bekannten Generator dieser Art besteht die zweite Gleichstromquelle
ausschließlich aus einer von einem magnetischen Verstärker gespeisten Gleichrichterschaltung,
wobei der Verstärker von der Generatorspannung gesteuert wird.
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Damit die aus einer Kompensationsschaltung bestehende erste Gleichstromquelle
nicht zu kostspielig wird, ist es, auch wenn keine besonders große Genauigkeit gefordert
wird, notwendig, den magnetischen Verstärker für eine größere Leistung auszulegen,
z. B. für 30 bis 50 °/o der größten für die Erregung des Generators erforderlichen
Leistung. Die hierbei stark auftretenden Oberwellen dritter Ordnung wirken mit der
Kompensationsschaltung zusammen ungünstig, es sei denn, daß zusätzliche Ausgleichmittel
benutzt werden. Bei kleineren Leistungen kann man einen einphasigen Verstärker benutzen,
dessen Oberwellen dritter Ordnung weniger ungünstig mit der Kompensationsschaltung
zusammenwirken.
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Es können jedoch hier wie auch bei dem dreiphasigen Verstärker drei
weitere Schwierigkeiten auftreten.
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Erstens erfordert in der betreffenden Schaltung ein großer magnetischer
Verstärker eine große Steuerleistung.
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Zweitens hat die Steuerwicklung eines derartigen Verstärkers eine
große Zeitkonstante; dadurch wird die Regelung des Generators träge, und um sie
stabil zuhalten, sind unter Umständen besondere Maßnahmen erforderlich.
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Drittens kann der magnetische Verstärker in der betreffenden Schaltung
leicht überlastet werden, so daß eine besondere Schutzschaltung notwendig werden
kann.
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Nach der Erfindung werden diese Schwierigkeiten vermieden. Erfindungsgemäß
wird bei einem Generator der am Anfang erwähnten Art in Reihe zu den Gleichstromklemmen
der zweiten Gleichrichterschaltung eine dritte Gleichrichterschaltung eingeschaltet,
die, wie die erste Gleichrichterschaltung, von einer lastabhängigen und einer spannungsabhängigen
Komponente gespeist wird. In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Generators ist die effektive elektromotorische Kraft der dritten Gleichrichterschaltung
im wesentlichen der Klemmenspannung der ersten Gleichrichterschaltung gleich, zumindest
dann, wenn die dritte Gleichrichtersch altung noch keinen großen Beitrag zum Erregerstrom
liefert.
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In diesem Fall kann man erreichen, daß der effektive Abschlußwiderstand
der zweiten Gleichrichterschaltung unabhängig wird von dem Belastungszustand des
Generators und von dem Strombeitrag dieser Schaltung, so daß für diese Einrichtung
nur eine kleine Steuerleistung erforderlich ist.
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Die Klemmenspannung der ersten und der dritten Gleichrichterschaltung
kann in ihrem Arbeitsgebiet meist näherungsweise durch einen Ausdruck der
Form V(a E 2
-b 12) dargestellt werden. Darin ist
a eine von Eins wenig abweichende Konstante, E die elektromotorische Kraft,
I der Gleichstrom und yb der effektive innere Widerstand.
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Der effektive Endwiderstand der Schaltung kann dann in einem weiten
Bereich durch die geeignete Wahl des Verhältnisses der so definierten effektiven
inneren Widerstände konstant gehalten werden.
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Am günstigsten dimensioniert man die zweite Gleichrichterschaltung
zur dauernden Lieferung von
Spannung auf höchstens ein Drittel der
unter normalen Betriebsbedingungen bei Vollbelastung erforderlichen Erregerspannung
und zur Dauerlieferung von Strom auf höchstens die Hälfte des unter Normalbedingungen
erforderlichen Erregerstromes.
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Die zweite Gleichrichterschaltung wird in einer günstigen Ausführungsform
vom Ausgang einer magnetischen Verstärkerschaltung gespeist.
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Es ist vorteilhaft, wenn sowohl die erste wie die dritte Gleichrichterschaltung
von mehr als einem Wechselstromkreis gespeist werden. Die zusammen eine Gleichrichterschaltung
speisenden Kreise sollen gegenseitig verschiedene Phasen haben, und die Korrektionsvorrichtung,
besonders der magnetische Verstärker, soll einphasig von dem Generator gespeist
werden.
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In einer weiteren günstigen Ausführungsform der Erregerschaltung nach
der Erfindung kann die zweite Gleichrichterschaltung eine Transistorschaltung enthalten,
durch die der betreffende Strombeitrag fließt und die in Abhängigkeit von der Abweichung
der Generatorspannung von ihrem Sollwert gesteuert wird.
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Die Erfindung bezieht sich gleichfalls auf die Speisung der Erregerwicklung
eines Ein- oder Mehrphasengenerators. Sie wird an Hand einiger Ausführungsbeispiele
erläutert: Fig. 1 zeigt das Schaltschema, teilweise in Blockschema, der erfindungsgemäßen
Erregereinrichtung, Fig. 2, 3 und 4 zeigen schematisch drei verschiedene Ausführungen
eines Teiles der Einrichtung nach Fig. 1.
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Wie in Fig. 1 gezeigt wird, ist ein Drehstromgenerator 10 mit
der Erregerwicklung 11 versehen. Diese wird über Leiter 12 und 13
aus einer als Dreiphasenbrücke ausgeführten Gleichrichterschaltung 14 gespeist,
die ihrerseits über drei Speiseleiter 16, 17 und 18 aus der Einrichtung 15 gespeist
wird.
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Die drei Hauptstromleiter 19, 20 und 21, über die der
Generator 10 seine Energie liefert, sind durch die Erregereinrichtung
15 hindurchgeführt und enthalten je eine der Primärwicklungen 22, 23 und
24 der Transformatoren 25, 26 und 27, deren Sekundärwicklungen 28, 29 und 30 an
die Leiter 16, 17 und 18 angeschlossen sind. Die Stromtransformatoren 25, 26 und
27 sind von einer Art, die einen großen Magnetisierungsstrom aufnimmt. Weiter sind
an die Leiter 19,
20 und 21 die in Stern geschalteten Primärwicklungen
31, 32 und 33 der Spannungstransformatoren 34, 35 und 36 angeschlossen. Diese Transformatoren
sind von einer Art, die einen kleinen Magnetisierungsstrom aufnimmt, und haben in
Stern geschaltete Sekundärwicklungen 37, 38 und 39, mit denen die Sekundärwicklungen
28, 29 und 30 der Stromtransformatoren verbunden sind. Von den Transformatoren 25,
26 und 27 werden in den Leitern 16, 17 und 18 Spannungen induziert, die den Strömen
in den Leitern 18, 20 und 21 proportional sind; während von den Transformatoren
34, 35 und 36 in den Leitern 16, 17 und 18 Spannungen induziert werden, die
der Generatorspannung proportional sind.
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Der Phasenzusammenhang zwischen diesen Spannungen ist derart, daß
der der Erregerwicklung 11 von der Gleichrichterschaltung 14 gelieferte
Strom die Ankerrückwirkung im wesentlichen kompensiert. Dieser ersten Gleichrichterschaltung-
ist eine zweite Gleichrichterschaltung 40, die einen zusätzlichen Erregerstrom liefert,
parallel geschaltet. Nach der Erfindung ist in Reihe mit dieser zweiten Gleichrichterschaltung
40 eine dritte Gleichrichterschaltung 41 vorgesehen, die gleichfalls
die Erregerwicklung 11
speist.
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Die Gleichrichterschaltung 41 ist in einer Dreiphasenbrückenschaltung
geschaltet und wird ihrerseits von einer Speiseeinrichtung 42 gespeist, die
einen gleichen Aufbau wie die Einrichtung 15 hat, jedoch weisen die Elemente andere
Abmessungen auf.
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Besonders sind in der Einrichtung 42 mit den Transformatoren
25, 26 und 27 vergleichbare Transformatoren enthalten, z. B. der Transformator 43,
und mit den Transformatoren 34, 35 und 36 vergleichbare Transformatoren wie der
Transformator 44. Es ist ersichtlich, daß z. B. die Transformatoren 34 und
44 zu einem einzigen Transformator mit nur einer Primärwicklung vereinigt werden
können.
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Obwohl in Fig. 1 Einphasentransformatoren angegeben sind, können jeweils
drei Einphasentransformatoren zu einem Dreiphasentransformator vereinigt werden.
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Die Gleichrichterschaltung 40 ist über Leiter 45, 46 und
47 mit den Hauptstromleitern 19, 20 und 21
verbunden.
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Nach dem in Fig.2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Quelle
40 enthält diese eine Graetzschaltung 48, die über einen Transformator 49 aus den
Leitern 45 und 46 gespeist wird. In den Leiter 45
sind die Arbeitswicklungen
50 und 51 eines magnetischen Verstärkers 52 aufgenommen, die in Reihe mit je einem
Gleichrichter 53 bzw. 54 geschaltet sind.
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Der magnetische Verstärker 52 hat zwei Steuerwicklungen 55 und 56,
von denen die Wicklung 55 unmittelbar und die Wicklung 56 über eine Zenerdiode an
die durch eine Drosselspule 58 geglättete Gleichspannung, die von einer als Dreiphasenbrücke
ausgebildeten Gleichrichterschaltung 59 geliefert wird, angeschlossen ist. Die Schaltung
59 wird von den Leitern 45, 46 und 47 gespeist. Wird der Generator
10
(Fig. 1) mit der richtigen Geschwindigkeit getrieben, so ist in einem weiten
Belastungsbereich die Einrichtung 15 imstande, den Generator so zu erregen, daß
die Spannung nicht mehr als einige Prozent von einem erwünschten Wert abweicht.
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Die Einrichtung 42 nach Fig. 1 ist so bemessen, daß die Spannung
am Gleichrichter 41 im erwähnten Bereich von Belastungen (z. B. von Nullast
bis Halblast und cos Phi von 0,7 bis 1) annähernd der Spannung ist, die die Einrichtung
14 aufweist, wenn sie allein die Erregerwicklung speist.
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Wenn die Korrektionsvorrichtung 40 keine Spannung liefert, wird von
der Schaltung 41 der Erregerwicklung 11 keine Energie zugeführt. Eine kleine
Spannung über die Einrichtung 40, z. B. ein Zehntel der Spannung über die
Wicklung 11 bewirkt jedoch, daß die Schaltung 41 zusammen mit der Einrichtung
40 Strom an die Wicklung 11 liefert, und zwar wird von der dabei gelieferten
Energie die Einrichtung 40 nur einen kleinen Teil liefern (im Beispiel etwa 100/,).
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Setzt man voraus, daß bei einer bestimmten Belastung in den Speisekreisen
der Schaltung 14 bzw. 41
eine totale Spannung e1 bzw. e2 induziert
wird, dann kann die von der Schaltung 14 bzw. 41 bei einer Stromabgabe
ü bzw. i2 gelieferte Klemmenspannung annähernd ausgedrückt werden durch
Wenn der Widerstand der Wicklung 11 mit r und die Klemmenspannung
der Vorrichtung 40 mit e bezeichnet wird, kann man ableiten
worin
wählt man also a2 - q a1 und b2=qlb1, dann findet man e 12 = (1 -
q) r .
Es stellt sich also heraus, daß der Belastungswiderstand der Korrektionsvorrichtung
40 in hohem Maße konstant ist. Die Größen bl und vb, können als eine Art innerer
Widerstände angesehen werden. Wählt man bi derart, daß q1 kleiner ist als 1/2, so
kann man schon einen ziemlich konstanten Belastungswiderstand der Korrektionsvorrichtung
erreichen, wenn man dafür sorgt, daß 1, angenähert verschwindet, wenn e verschwindet;
der Wert von b2 ist dann von geringer Bedeutung.
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Die Tatsache, daß der Belastungswiderstand im wesentlichen konstant
ist, hat zur Folge, daß der magnetische Verstärker mit einer normalen Steuerung
gesteuert werden kann.
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Weil die Spannung e bzw. der Strom i2 sehr wohl viel kleiner als die
unter normalem Betrieb auftretende höchste Spannung über bzw. der größte Strom in
der Wicklung 11 sein kann, kann die nominelle Leistung des magnetischen Verstärkers
1501, oder weniger der maximalen Erregungsleistung des Generators betragen,
und auch die Steuerleistung fällt also niedrig aus. Im Zusammenhang damit kann der
Verstärker schnell arbeiten, wodurch die Geschwindigkeit der Regelung verbessert
wird. Die geringe erforderliche Steuerleistung gestattet es schon, eine große Genauigkeit
mit dem in Fig.2 dargestellten, sehr einfachen Mittel zu erreichen. Für die Wirkung
der Regelvorrichtung ist es wichtig, daß die von der Drosselspule 58 geglättete
Spannung der Gleichrichterschaltung 59 ein Maß für die Spannung des Generators ist.
Wenn erstere nur wenig über die Zenerspannung der Zenerdiode 57 hinaus ansteigt,
wird die Steuerwicklung 56 von Strom durchflossen und dadurch der Magnetverstärker
stromdurchlässig.
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Die Stromrichtung in der Steuerwicklung 55 ist entgegengesetzt zu
der in der Steuerwicklung 56, so daß der Wirkung der Steuerwicklung 56 entgegengearbeitet
wird.
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Schon eine kleine Änderung in der Steuerung genügt, um die Erregung
des Generators zu senken. Eine Genauigkeit von 0,5 % kann leicht erreicht werden.
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Eine viel höhere Genauigkeit, z. B. 0,1 °/o oder noch besser, erreicht
man, wenn der Steuerstrom verstärkt wird. Der magnetische Verstärker ist von selbstsättigendem
Typ. Die dargestellte Ausführungsform in Fig. 2, wobei der Verstärker 52 die Gleichrichterschaltung
48 über einen Transformator speist, hat sich vor vielen anderen Schaltungen als
vorteilhafter herausgestellt. Die zweite in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform
der zweiten Gleichrichterschaltung enthält eine Gleichrichterbrücke 60, ausgeführt
als eine Dreiphasenbrücke, die über einen Transformator 61 von den Leitungen
45, 46 und 47 gespeist wird. Die in dieser Weise erzeugte Gleichspannung
wird teilweise in einem Transistor 62 vernichtet, dessen Emitter mit 63, Kollektor
mit 64, Basis mit 65 bezeichnet ist. Über die Emitter-Basis-Strecke wird ein Steuerstrom
geführt, der einer Brücke entnommen wird, von der drei Zweige aus Widerständen 67,
68 und 69 gebildet sind, und der vierte Zweig eine Zenerdiode 70 enthält. Die Brücke
wird von einem Gleichstrom gespeist, der von einer Gleichrichterschaltung 71 kommt,
die über einen Transformator 72 dreiphasig aus den Leitern 45, 46 und 47 gespeist
wird. Dieser Gleichstrom wird von einer Drossel 73 geglättet.
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Die Wirkung der zweiten Gleichrichterschaltung nach Fig. 3 ist folgende:
Liegt die Generatorspannung unter einem bestimmten Wert, so daß der von der Drosselspule
73 geglättete Gleichstrom über den Brückenzweig, in dem die Zenerdiode aufgenommen
ist, eine Spannung entwickelt, die niedriger ist als die Zenerspannung der Zenerdiode,
dann fließt über die Emitter-Basis-Strecke ein Strom, und der Transistor hat einen
geringen Widerstand zwischen Emitter und Kollektor. Steigt die Generatorspannung,
dann wird schließlich die Zenerdiode 70 stromführend, und sobald dieser dem Strom
durch den Widerstand 69 entspricht, was bei einer weiteren geringen Spannungssteigerung
des Generators eintritt, führt die Emitter-Basis-Strecke keinen Strom mehr, so daß
der Transistor 62 sperrt, wodurch die Generatorspannung abnimmt. Es wird sich schnell
ein Gleichgewicht einstellen, und diese Ausführung ist besonders geeignet, wenn
eine sehr schnelle Regelung notwendig ist.
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Die Schaltung nach Fig. 4 ist der nach Fig. 3 gleich, mit der Ausnahme,
daß die Gleichrichterschaltung 60 und der Transformator 61 fortgelassen sind. Statt
dessen sollen die Sekundärwicklungen des Spannungstransformators 44 (Fig.
1) und der entsprechenden Transformatoren in den anderen Speisekreisen in der Einrichtung
42 mit einer Anzahl zusätzlicher Windungen versehen werden, um eine zusätzliche
Spannung zu liefern, die vom Transistor 62 geschaltet wird, um eine Regelung zu
ermöglichen.
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Hierdurch ist das Verhältnis zwischen den in den Einrichtungen
15 und 42 wirksamen, dem Generatorstrom und der Generatorspannung
proportionalen Spannungen nicht mehr gleich.
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Auch ist die Spannung an der Korrektionsvorrichtung 40 nach
Fig. 4 gegenüber den in den Fig. 2 und 3 gezeigten Schaltungen umgepolt.