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Synchrongenerator mit Selbsterregung Um bei einem Synchrongenerator
eine rotierende Erregennaschine zu vermeiden, ist es bekannt, die Feldwicklung an
einen Gleichrichter anzuschließen, der mit einem Teil der vom Generator selbst erzeugten
Wechselstromenergie gespeist wird. Um die Erregung auch bei Kurzschluß oder bei
sehr großer Belastung des Generators aufrechtzuerhalten, wird dabei gewöhnlich wenigstens
ein Teil der erforderlichen Erregungsenergie von Stromwandlem abgenommen, deren
Primärwicklungen von dem Belastungsstrom des Generators durchflossen sind. Bei Kurzschluß
des Generators verursachen aber diese Stromwandler große elektrischeBeanspruchungendes
Gleichrichters, gegen die dieser nur schwer geschützt werden kann, besonders wenn
der Gleichrichter aus Germanium- oder Siliziumventilen besteht. Da die Erregungseinrichtung
bei diesen bekannten Ausführungen eine oder gewöhnlich mehrere Dreiphasengruppen
von Stromwandlem, einen mehrphasigen Gleichrichter und daneben gewöhnlich auch eine
Anzahl Drosselspulen und einen Spannungsregler enthalten muß, so erfordert die Erregungseinrichtung
einmal viel Raum und wird zum anderen auch teuer.
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Der Zweck der Erfindung ist, eine Erregungseinrichtung für einen selbsterregten
Synchrongenerator zu schaffen, die bei Kurzschluß und großer Belastung des Generators
die Erregung aufrechterhält, ohne daß der Gleichrichter unzulässigen elektrischen
Beanspruchungen ausgesetzt wird, und weiter eine Erregungseinrichtung, die keine
oder nur eine kleine Anzahl Strom- und Spannungswandler enthält und die auch im
übrigen aus so wenigen und so einfachen Komponenten wie möglich besteht.
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Die Erfindung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß der
Feldmagnet des Generators derart ausgebildet ist, daß er außer einem magnetischen
Hauptfluß, der in der Ankerhauptwicklung des Generators die die angeschlossene Belastung
speisende Ausgangsspannung des Generators induziert, auch eine zusätzliche Magnetflußkomponente
von erheblicher Größe erzeugt, die eine von der Polzahl des magnetischen Hauptflusses
abweichende, vorzugsweise größere Polzahl hat, und daß die Spannung, welche diese
zusätzliche Magnetflußkomponente in einer Ankerwicklung des Generators induziert
und die also eine andere Frequenz als die die angeschlossene Belastung speisende
Ausgangsspannung des Generators hat, über einen Gleichrichter der Feldwicklung des
Generators zugeführt wird. Die Polzahl dieser zusätzlichen Erregungskomponente und
ihre Phasenlage im Verhältnis zu der Haupterregung wird dabei so gewählt, daß die
zusätzliche Erregungskomponente bei Kurzschluß des Generators aufrechterhalten oder
verstärkt wird. Die Erfindung gibt folglich eine zufriedenstellende Erregung auch
bei Kurzschluß des Generators., ohne Verwendung von Stromwandlern, die unzulässige
elektrische Beanspruchungen der Erregungsgleichrichter verursachen können. Dadurch,
daß nach der Erfindung die Polzahl der zusätzlichen Erregungskomponente größer als
die Polzahl der Haupterregung gewählt wird, wird eine Wechselspannung mit höherer
Frequenz zur Speisung des Erregungsgleichrichters erhalten, wodurch zugleich der
Regler, der gewöhnlich zur Regelung der Größe der Erregung erforderlich ist, klein
wird.
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Es ist bekannt, im Gesamtfeld des Erregerteils einer Synchronmaschine
harmonische Komponenten hervortreten zu lassen, deren Polteilung zur natürlichen
Polteilung des Erregerteils in einem unganzzahligen Verhältnis steht. Diese Maßnahme
hatte den Zweck, bei einem einzigen Motor mehrere Drehzahlen durch Drehung der Polteilung
zu erreichen. Eine derartige Ausführung ist jedoch nicht geeignet, eine Komponente
der Generatorspannung zu induzieren, die gegenüber der Belastung des Generators
unempfindlich ist und nach Gleichrichtung für die Erregung des Generators verwendet
werden kann.
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Nach einer Ausführungsforin der Erfindung wird eine von der zusätzlichen
Erregungskomponente induzierte Spannung von der den Belastungsstrom des Generators
führenden Ankerhauptwicklung abgenommen, wobei diese Spannung entweder nur bei
Kurzschluß
ausgenutzt wird, während die Erregung im normalen Betrieb in einer früher bekannten
Weise erhalten wird, oder im wesentlichen allein die Erregung unter allen Betriebsverhältnissen
erzeugt.
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Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Anker des
Generators außer mit der normalen, den Belastungsstrom des Generators
füh-
renden Ankerhauptwicklung noch mit einer Hilfswicklung versehen, die
eine der Polzahl der zusätzlichen Erregerkomponente entsprechende Polzahl hat und
zur Speisung der die Feldwicklung des Generators speisenden Gleichrichter dient.
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Nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist der Anker des
Generators auch mit einer Hilfswicklung mit einer der zusätzlichen Erregerkomponente
entsprechenden Polzahl versehen, aber in diesem Fall ist der die Feldwicklung speisende
Gleichrichter an dieser Hilfswicklung in Reihe mit der Ankerhauptwicklung des Ankers
angeschlossen.
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Als zusätzliche Erregerkomponente wird nach einer Ausführungsform
der Erfindung eine der Oberwellen verwendet, die wegen der Ankerrückwirkung bei
Kurzschluß des Generators in der Erregung entstehen. Bei einem Generator mit ausgeprägten
Polen kann die Größe dieser Oberwellen durch Variation der Form der Polschuhe variiert
werden, und es ist auch möglich, durch eine zweckmäßige Form der Polschuhe eine
Erregung zu erhalten, die auch in normalem Betrieb eine ausgeprägte Oberwellenkomponente
enthält, die eine solche Phasenlage im Verhältnis zur Grundwelle der Erregung hat,
daß sie bei Belastung oder bei Kurzschluß des Generators verstärkt wird. Nach der
Erfindung wird vorzugsweise die dritte Oberwelle ausgenutzt, da diese keine resultierende
Leiterspannung entsprechender Frequenz in der Ankerhauptwicklung des Generators
verursacht.
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Nach einer anderen Ausführungsform. der Erfindung wird bei einem Generator
mit ausgeprägten Polen eine zusätzliche Erregerkomponente dadurch erhalten, daß
die Feldwicklung auf die verschiedenen Pole derart verteilt ist, daß teils eine
Erregerkomponente mit derselben Polzahl wie die Anzahl ausgeprägter Pole und teils
eine Erregerkomponente mit einer halb so großen Polzahl erzeugt wird. Die richtige
Verteilung der Feldwicklung kann dabei durch Superposition der fürdie beidenErregerkomponenten
erforderlichen Amperewindungszahlen einfach berechnet werden. Wenn man bei dieser
Ausführungsform die Anzahl ausgeprägter Pole nicht über die Zahl erhöhen will, die
für die normale Erregung der Ankerhauptwicklung erforderlich ist, wird indessen
eine zusätzliche Erregerkomponente mit einer kleineren Polzahl als die Haupterregung
erhalten.
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Die Erfindung und einige verschiedene Ausführungsformen derselben
sind an Hand der Zeichnung beschrieben, in welcher Fig. 1 einen Synchrongenerator
mit einem normalen, an und für sich bekannten Erregergleichrichter zeigt, der an
der Hauptwicklung des Generators angeschlossen ist, und weiter mit einer Einrichtung
nach der Erfindung zur Aufrechterhaltung der Erregung bei Kurzschluß des Generators;
Fig. 2 zeigt einen Synchrongenerator nach der Erfindung, bei welchem die Spannung,
die von einer zusätzlichen Erregerkomponente in der Ankerhauptwicklung des Generators
induziert wird, für die Erregung des Generators während aller Betriebsverhältnisse
verwendet wird; Fig. 3 zeigt einen Synchrongenerator nach der Erfindung mit
einer dreiphasigen Hilfswicklung imAnker zur Speisung der Feldwicklung; Fig. 4 zeigt
einen Synchrongenerator nach der Erfindung mit einer einphasigen Ankerhilfswicklung
und einem Transduktorregier zur Regelung der Größe der Erregung; Fig.
5 zeigt einen Synchrongenerator mit einer einphasigen Ankerhilfswicklung
und einem Erregergleichrichter, der an der Hilfswicklung in Reihe mit der Ankerhauptwicklung
des Generators angeschlossen ist, und Fig. 6 zeigt noch eine Einrichtung,
bei welcher die Spannung, die die zusätzliche Erregerkomponente in der Ankerhauptwicklung
des Generators induziert, zur Speisung der Feldwicklung verwendet wird.
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Fig. 1 zeigt einen Synchrongenerator mit einem Stator
1 und einem Rotor 2. Der Stator 1 ist mit einer normalen drelphasigen
Ankerhauptwicklung 3
versehen, die an den Ausgangsklemmen R,
S, T des Generators angeschlossen ist. Der Rotor 2 ist mit einer normalen
Feldwicklung 4 versehen. In normalem Betrieb wird die Feldwicklung 4 in an sich
bekannter Weise von einem dreiphasigen Gleichrichter 5 gespeist, der an den
Phasenklemmen der Ankerhauptwicklung 3 angeschlossen ist. Bei Kurzschluß
der Ankerhauptwicklung 3 verschwindet indessen die Speisespannung des Gleichrichters
5 und die Erregung würde deshalb normalerweise ausfallen. Um die Erregung
auch bei Kurzschluß des Generators aufrechtzuerhalten, ist der gezeigte Generator
nach der Erfindung mit einem zusätzlichen einphasigen Gleichrichterzweig
6 versehen, der am Stempunkt der Hauptwicklung 3 angeschlossen ist.
Bei Kurzschluß hat die Erregung normalerweise wegen der Ankerrückwirkung einen erhöhten
Oberwellengehalt, und diese Oberwellen induzieren Oberwellenspannungen ungerader
Ordnungszahl zwischen den Phasenklemmen und dem Stempunkt der Ankerhauptwicklung
3, welche Oberwellenspannungen mittels des Gleichrichters 6 gleichgerichtet
werden und folglich die Feldwicklung 4 beim Kurzschluß speisen. Durch Variation
der Form der Polschuhe des Generators kann die Größe dieser Oberwellenspannungen
auf einen zweckmäßigen Wert eingestellt werden.
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Den Polschuhen kann auch eine solche Form gegeben werden, daß auch
in normalem Betrieb genügend große Oberwellenspannungen für die Erregung des Generators
entstehen. Wie schon erwähnt, wird den Polschuhen zweckmäßig eine solche Form gegeben,
daß die Erregung eine ausgeprägte dritte Oberwelle enthält, die in Gegenphase zur
Grundwelle der Erregung liegt und deshalb bei der Belastung und beim Kurzschluß
des Generators verstärkt wird.
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Fig. 2 zeigt eine Erregereinrichtung nach der Erfindung, bei welcher
Oberwellenspannungen für die Erregung des Generators während aller Betriebsverhältnisse
verwendet werden. Die Figur zeigt einen Synchrongenerator mit einem Stator
1 und einem Rotor 2. Der Stator 1 ist mit einer normalen Ankerhauptwicklung
3 versehen, die an den Ausgangsklemmen R, S, T des Generators
angeschlossen ist. Der Rotor 2 ist mit einer Feldwicklung 4 versehen, und die Polschuhe
der Pole haben eine solche Form, daß die Erregung eine ausgeprägte Oberwelle, vorzugsweise
die dritte, enthält. Die Oberwellen der Erregung induzieren in der Ankerhauptwicklung
drei
Oberwellenspannungen, die zwischen dem Sternpunkt der Ankerhauptwicklung
3 und dem Sternpunkt einer sterngeschalteten kapazitiven, an den Ausgangsklemmen
R, S, T der Ankerhauptwicklung 3 angeschlossenen Dreiphasenbelastung
7 abgenommen und dem Gleichrichter 8 zur Speisung der Feldwicklung
4 zugeführt werden.
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Anstatt die Oberwellenspannungen für die Erregung aus der Ankerhauptwicklung
des Generators herauszunehmen, was in gewissen Fällen ungünstig sein kann, kann
der Anker des Generators, wie Fig. 3 zeigt, mit einer Hilfswicklung versehen
werden, die dieselbe Polzahl wie die zusätzliche Erregerkomponente hat. Fig.
3 zeigt einen Synchrongenerator mit einem Stator 1 und einem Rotor
2. Der Stator ist mit einer normalen dreiphasigen Ankerhauptwicklung 3
versehen,
die an den Ausgangsklemmen R, S, T des Generators angeschlossen ist.
Der Stator hat außerdem eine dreiphasige Hilfswicklung 9, die eine andere
Polzahl als die Ankerhauptwicklung 3 hat. Die Hilfswicklung 9 ist
durch einen Regler 10 an einem Dreiphasengleichrichter 11 angeschlossen,
dessen Gleichstromseite an der Feldwicklung 4 des Generators angeschlossen ist.
Der Regler 10 kann von beliebiger bekannter Art sein, z. B. ein Transduktorregler,
und hat die Aufgabe, den von der Hilfswicklung 9 zum Gleichrichter
11 gespeisten Strom im Verhältnis zu der Spannung zwischen den Phasen
S und T der Ankerhauptwicklung 3 des Generators zu regeln. Der Erregerstrom
durch die Feldwicklung 4 wird folglich im Verhältnis zu der abgegebenen Spannung
des Generators derart geregelt, daß die Spannung annähernd konstant gehalten wird.
Der Rotor 2 mit der Feldwicklung 4 ist so ausgeführt, z. B. in einer der vorher
beschriebenen Weisen, daß die Erregung des Generators eineKomponentemitderselbenPolzahlwie
die Ankerhauptwicklung 3 und eine andere Komponente mit derselben Polzahl
wie die Hilfswicklung 9
enthält. Die Hilfswicklung 9 hat eine solche
Polzahl im Verhältnis zu der Ankerhauptwicklung 3, daß die bei Kurzschluß
oder bei hoher Belastung der Ankerhauptwicklung entstehende Ankerrückwirkung die
Erregung der Hilfswicklung 9 nicht nennenswert beeinflußt, weshalb die Spannung
der Hilfswicklung 9
und folglich die Speisung des Erregergleichrichters 4
auch bei Kurzschluß oder bei hoher Belastung des Generators aufrechterhalten wird.
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Dadurch, daß die dritte Oberwelle der Grunderregung als zusätzliche
Erregerkomponente verwendet wird, was, wie oben beschrieben -, durch zweckmäßige
Form der Polschuhe erreicht wird, wird der Vorteil erreicht, daß die Leiterspannung
der Ankerhauptwicklung 3 keine Oberwellenkomponente enthält, und weiter der
Vorteil, daß die Hilfswicklung des Ankers ohne Gefährdung der Symmetrie der abgegebenen
Leiterspannung des Generators einphasig ausgeführt werden kann. In diesem Fall können
sowohl der Erregergleichrichter als auch die Regler einphasig sein und deshalb einfach
und billig werden.
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Fig. 4 zeigt einen Synchrongenerator mit einem Rotor 2, einem Stator
1 und einer im Stator liegenden dreiphasigen Ankerhauptwicklung
3, die an den Ausgangsklemmen R, S, T des Generators angeschlossen
ist. Der Stator 1 hat aber bei dieser Ausführungsform der Erfindung eine
einphasige Hilfswicklung 12, die in Reihe mit einem selbsterregten Transduktor
13
an einem Einphasengleichrichter 14 angeschlossen ist, dessen Gleichstromseite
mit der im Rotor 2 liegenden Feldwicklung 4 verbunden ist. Der Rotor 2 hat ausgeprägte
Pole, und die Polschuhe haben so eine Form, daß die Erregung eine ausgeprägte dritte
Oberwelle enthält mit einer solchen Phasenlage im Verhältnis zur Grundwelle, daß
sie bei Kurzschluß oder einer starken Belastung des Generators beibehalten oder
verstärkt wird. Die Hilfswicklung 12 hat eine dieser dritten Oberwelle entsprechende
Polzahl. Die dritte Oberwelle der Erregung verursacht, wie bekannt, keine entsprechende
Oberwelle in der Leiterspannung der Ankerhauptwicklung 3, da die Ankerhauptwicklung
sterngeschaltet ist. Soll ein Nullleiter an den Generator angeschlossen werden,
wird dies nach der Erfindung derart gemacht, daß der Nulleiter in Reihe mit der
Hilfswicklung 12 an den Stempunkt der Ankerhauptwicklung 3 angeschlossen
wird, wie die gestrichelten Linien in Fig. 4 zeigen. Bei korrekter Polarität der
Hilfswicklung 12 werden dabei die Spannungskomponenten der dritten Oberwelle in
der Ankerhauptwicklung 3 und in der Hilfswicklung 12 einander kompensieren,
so daß die Phasenspannungen zwischen den Ausgangsklemmen R, S, T des
Generators und der NuRklemme keine nennenswerte dritte Oberwelle enthalten. Der
Transduktor 13 hat eine der Selbsterregung entgegenwirkende Steuerwicklung
15, die von einem Gleichrichter 16 gespeist wird, der in Reihe mit
einer Drossel 17 an den Ausgangsklemmen R und S des Generators angeschlossen
ist. Der Transduktor 13 ist auch mit einer mit der Selbsterregung mitwirkenden
Steuerwicklung 18 versehen, die von einem über die FElfswicklung 12 angeschlossenen
Gleichrichter 19
gespeist wird. Der Transduktor 13 regelt folglich
in bekannter Weise den Strom durch die Feldwicklung 4 derart, daß die abgegebene
Spannung der Ankerhauptwicklung 3 auf einem solchen Wert gehalten wird, daß
die Ströme durch die Steuerwicklungen 15
und 18 des Transduktors einander
kompensieren. Da die Spannung über die Hilfswicklung 12 nicht völlig konstant und
unabhängig von der Belastung des Generators ist, wird der Strom durch die Steuerwicklung
18 auch nicht konstant. Der Strom durch die Steuerwicklung 15 wird
folglich mit der Belastung des Generators etwas variieren, aber da dieser Strom
von der abgegebenen Spannung der Ankerhauptwicklung 3 mittels einer aus der
Drosselspule 17 bestehenden, nichtlinearen Impedanz abgeleitet wird, entsprechen
diese Variationen des Stromes nur sehr unbedeutende Variationen in der Spannung
der Ankerhauptwicklung 3. Die Einrichtung hat außerdem den sehr großen Vorteil,
daß eine spezielle Konstantspannungsquelle zur Speisung der Steuerwicklung
18, was das normale Verfahren zur Steuerung des Transduktors wäre, nicht
erforderlich ist.
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In gewissen Fällen ist es vorteilhaft, einen Teil der Erregerenergie
von der Ankerhauptwicklung des Generators und einen anderen Teil von einer Hilfswicklung
zu nehmen. Fig. 5 zeigt eine solche Einrichtung. Diese Einrichtung ist im
wesentlichen identisch mit der in Fig. 4 gezeigten. Die Hilfswicklung 12, die mit
einer der dritten OberweLle der Erregung entsprechenden Polzahl ausgeführt ist,
ist aber in Reihe mit der Ankerhauptwicklung 3 derart geschaltet, daß die
in der Hilfswicklung 12 von der dritten Oberwelle induzierte Spannung mit der von
der dritten Oberwelle in der Ankerhauptwicklung induzierten zusammenwirkt. Weiter
ist der die Feldwicklung 4 speisende Gleichrichter 14 in Reihe mit dem Transduktor
13 an der
Reihenschaltung der Hilfswicklung 12 und der Phase
R der Ankerhauptwicklung 3 angeschlossen. Die mitwirkende Steuerwicklung
18 des Transduktors 13 wird auch von der Spannung über der Hilfswicklung
12 in Reihe mit der Phase R der Ankerhauptwicklung 3 gespeist, während die
entgegenwirkende Steuerwicklung 15 durch eine gesättigte Drosselspule
17 von der Spannung zwischen den Phasen S und T der Ankerhauptwicklung
gespeist wird. Der Transduktor 13 arbeitet folglich in grundsätzlich derselben
Weise wie in Fig. 4. In normalem Betrieb wird der Gleichrichter 14 bei der Einrichtung
nach Fig. 5 von einer Komponente mit der Hauptfrequenz des Generators von
der Ankerhauptwicklung 3 und außerdem mit einer Komponente von der Hilfswicklung
12 und der Ankerhauptwicklung 3 gespeist, die eine der dritten Oberwelle
der Erregung entsprechende Frequenz hat und deren Größe von der Größe der Belastung
abhängig ist. Bei Kurzschluß des Generators verschwindet indessen die Komponente
mit der Grundfrequenz und der Gleichrichter 14 wird nur mit einer dritten OberweRenkomponente
gespeist. Das Verhältnis zwischen den beiden dem Gleichrichter zugeführten Spannungskomponenten
kann leicht dadurch eingestellt werden, daß der Anschluß des Gleichrichters 14 an
die Ankerhauptwicklung 3 an verschiedenen Punkten der Phasenwicklung R gemacht
wird.
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Fig. 6 zeigt noch eine Ausführungsforin der Erfindung, bei
welcher der Feldwicklung sowohl eine der Grundwelle der Erregung entsprechende Komponente
als auch eine einer dritten Oberwelle der Erregung entsprechende Komponente zugeführt
werden, in diesem Fall indessen nur von der Ankerhauptwicklung des Generators. Auch
in diesem Fall ist also der Feldmagnet des Generators so angeordnet, daß er eine
Erregung erzeugt, die eine ausgeprägte dritte Oberwelle enthält, die Phasenspannungen
entsprechender Frequenz in der Ankerhauptwicklung 3 des Generators verursacht.
Die Erregereinrichtung besteht im wesentlichen aus drei Wandlem 20, 21 und 22. Die
Wandler 20 und 21 sind mit ihren Primärwickhingen zwischen den Phasen
S bzw. T und dem Stempunkt der Ankerhauptwicklung 3 angeschlossen.
Die Primärwicklung des Wandlers 22 ist in Reihe mit den Sekundärwicklungen der Wandler
20 und 21 zwischen der Phase R und dem Stempunkt der Ankerhauptwicklung angeschlossen.
Die Reihenschaltung ist so ausgeführt, daß die Grundwellen der Phasenspannungen
einander zum Teil ausgleichen, so daß eine verhältnismäßig kleine Spannung mit der
Frequenz der dritten Oberwelle über der Sekundärwicklung des Wandlers 22 erreicht
wird, während die dritten Oberwellen der Phasenspannungen zusammengesetzt werden,
so daß eine große Spannung mit der Frequenz der dritten Oberwelle über der Sekundärwicklung
des Wandlers 22 erreicht wird. Diese Wickhing ist an einem die Feldwicklung 4 speisenden
Gleichrichter 23 angeschlossen, so daß der Feldwicklung 4 teils eine von
der Grundwelle der Erregung herrührende Spannungskomponente und teils eine von der
dritten Oberwelle der Erregung herrührende Spannungskomponente zugeführt wird. Das
Verhältnis zwischen den Größen dieser beiden Spannungskomponenten wird mit Hilfe
der Umsetzung der Wandler 20, 21 und 22 leicht bestimmt.
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Die oben beschriebenen Einrichtungen sind nur Ausführungsbeispiele
der Erfindung, es gibt natürlich mehrere andere Ausführungsformen im Rahmen der
Erfindung.