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Kompoundierter, selbsterregter Synchrongenerator mit im weiten Bereich
veränderlicher Drehzahl Durch das deutsche Patent 1096 480 ist ein kollektorloser,
kompoundierter Synchrongenerator mit angekuppelter und in Umfangsrichtung verstellbarer
Regelmaschine, die eine vom Laststrom durchflossene Ständerwicklung aufweist, bekannt,
bei dem der Läufer (Polrad) der Regelmaschine eine mit Gleichstrom gespeiste Erregerwicklung
aufweist und der Ständer außer der laststromdurchflossenen Wicklung noch eine zum
Hauptgleichrichter führende Wechselstromwicklung trägt, deren Strom durch die Hauptgleichrichter
zur Speisung der Generatorpolradwicklung gleichgerichtet wird. Die Regelmaschine
dieses Generators hält die Spannung unabhängig vom Belastungsstrom und Leistungsfaktor
bei gleichbleibender bzw. mit der Last statisch wenig veränderlicher Drehzahl konstant.
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Ändert sich aber die Drehzahl unabhängig vom Belastungsstrom in weiten
Grenzen wie bei einem Wellengenerator, welcher von der Propellerwelle eines Schiffes
angetrieben wird, oder bei einem Zugbeheizungsgenerator, welcher mit dem Triebwagendiesel
gekuppelt ist, so muß ein Regelorgan die Grunderregung oder Leerlauferregung mit
wachsender Drehzahl verkleinern, wenn die Spannung Bleichbleiben soll. Mittel hierfür
sind die bekannten Spannungsregler, bei denen allerdings die Erregungsenergie einer
besonderen Stromquelle entnommen werden muß, wenn man die Schwierigkeiten geringer
oder fehlender Stabilität der Spannung bei Selbsterregung und verschwundener Generatorsättigung
vermeiden will. Derartige Spannungsregler sind jedoch erschütterungsempfindlich
und führen bei der Verwendung in Fahrzeugen zu Störungen, so daß ein sicherer Betrieb
nicht gewährleistet ist. Die hieraus resultierenden Schwierigkeiten und Nachteile
lassen sich bei einem Wechselstromgenerator mit eingebauter Regelmaschine nach dem
deutschen Patent 1096 480, dessen Drehzahl in weitem Bereich veränderlich sein soll,
dadurch vermeiden, daß dem Gleichrichter des Regelmaschinenläufers eine gleichzeitig
mit der Stellung des Drehzahlregulierhebels der Antriebsmaschine veränderbare, ein-
oder mehrteilige, mindestens teilweise in der Sättigung betriebene Drosselanordnung
vorgeschaltet ist. Die in der Sättigung betriebene Drosselanordnung sorgt infolge
der ihr eigenen Charakteristik dafür, daß die Generatorspannung auf einem konstanten
Wert gehalten wird. Bei einer Änderung der Antriebsdrehzahl des Generators wird
die Drosselanordnung gleichzeitig mit verstellt, so daß ihre Charakteristik der
neuen Drehzahl angepaßt und damit die Generatorspannung auf dem gleichen Wert gehalten
wird. Andererseits ist es natürlich auch möglich, die Drosselanordnung mit der Drehzahlveränderung
so zu verstellen, daß die Spannung, falls es gewünscht wird, mit der Drehzahl leicht
ansteigt oder abfällt. Bei durchgehenden Wasserkraftgeneratoren ist es beispielsweise
nützlich, die Erregung zu schwächen oder ganz wegzunehmen; dies kann etwa durch
Kupplung der Anordnung mit einem Fliehkraftregler erreicht werden.
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Die Drosselanordnung kann im einfachsten Falle eine gesättigte Eisendrossel
sein, deren Windungszahl durch einen mit dem Drehzahlregulierhebel verbundenen Wahlschalter
umschaltbar ist. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch einen robusten Aufbau
und niedrige Herstellungskosten aus. Schon mit wenigen Umschaltstufen läßt sich
wegen der Wirksamkeit der übrigen Elemente des Regelkreises eine gute Spannungskonstanz
erzielen. Bei einem verhältnismäßig großen zu überstreichenden Drehzahlbereich oder
bei strengeren Forderungen an die Regeleigenschaften läßt sich die Stufenzahl erhöhen.
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Von einer gewissen Stufenzahl an stößt eine Verfeinerung der Abstufungen
allerdings auf bauliche und preisliche Schwierigkeiten, so daß eine kontinuierliche
Veränderbarkeit der Drosselanordnung zweckmäßig wird. Eine derartige Drosselanordnung
kann beispielsweise eine gesättigte unveränderliche Eisendrossel und eine weitere
Eisendrossel mit variablen Luftspalt aufweisen, der in Abhängigkeit von der Stellung
des Drehzahlregulierhebels passend verstellbar ist. Die kontinuierliche Verstellbarkeit
ist
hierbei durch den variablen Luftspalt der einen Drossel gegeben.
Da sich mit der Luftspaltbreite jedoch der Sättigungszustand der Drossel sehr stark
ändert, zur Erreichung guter Regeleigenschaften aber ein Bauelement mit der Charakteristik
einer gesättigten Drossel erforderlich ist, sorgt man durch Einfügen der zweiten
Eisendrossel, die unabhängig von den vorkommenden Drehzahl- und Belastungsfällen
immer in der Sättigung betrieben ist, für das Vorhandensein einer solchen Charakteristik
im Regelkreis. Die variable Drossel kann nun mit der Verstellung der Drehzahl stufenlos
den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden, so daß die Generatorspannung, wie
es meist gewünscht wird, unabhängig von der Drehzahl konstant gehalten wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann in den Kreis der Drosseln
zusätzlich ein mit dem Laststrom verkoppelter Stromtransformator mit einem Luftspalt,
der in Abhängigkeit von der Stellung des Drehzahlregulierhebels veränderbar ist,
geschaltet sein. Diese zusätzliche Einkoppelung des Laststromes in den Regelkreis
stellt eine mittelbare Kompoundierung dar. Durch die Veränderung des Koppelgrades,
die hier durch die Luftspaltänderung bewirkt wird, jedoch auch in anderer bekannter
Weise - etwa durch Windungsanzapfungen - bewirkt werden kann, läßt sich - was bisweilen
wünschenswert ist -der Kompoundierungsgrad mit der Drehzahl des Generators verändern.
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Die verstellbare Luftspaltdrossel und der verstellbare Stromtransformator
können als Einheit zu einer mit zusätzlicher Stromwicklung versehenen Drossel zusammengefaßt
werden, deren Luftspalt in Abhängigkeit von der Stellung des Drehzahlregulierhebels
veränderbar ist. Diese Zusammenfassung ergibt eine kompaktere Bauweise, niedrigeres
Gewicht und geringeren Raumbedarf. Diese Eigenschaften sind insbesondere bei Verwendung
des vorliegenden Generators in Fahrzeugen, etwa beim Bahnbetrieb, wo Gewicht, Platzbedarf
und Wartungsfreiheit eine große Rolle spielen, sehr wichtig.
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Die verstellbare Drossel kann eine Ausführung mit variablem Luftspalt
oder noch vorteilhafter eine Drehdrossel mit Ständer und verdrehbarem Läufer sein.
Diese bewährte und häufig verwendete Ausführungsform einer variablen Drossel gewährleistet
bei kompakter, geschlossener und wenig anfälliger Bauweise eine sichere Einstellung
und gute Reproduzierbarkeit der jeweils erforderlichen Werte.
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Während bei einer Handverstellung der Drehzahl der Generatorantriebsmaschine,
wenn diese also beispielsweise der Dieselmotor einer Lokomotive ist, die Verstellorgane
der Drosselanordnung bzw. des Transformators sich leicht mit dem Gestänge für die
Drehzahlregulierung koppeln lassen, bietet sich andererseits auch die Möglichkeit,
die drehzahlabhängige Verstellung durch einen Fliehkraftregler zu steuern. Hierauf
wird man insbesondere dann zurückgreifen, wenn die auftretenden Drehzahländerungen
nicht absichtlich herbeigeführt werden, sondern sich aus den Betriebsbedingungen
ergeben, also etwa bei Antrieb durch eine Wasser- oder Dampfturbine in einem Kraftwerk.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Darstellungen. Es zeigt F i g. 1 eine Prinzipschaltung des
Generators mit einer stufenweise veränderbaren Drossel, F i g. 2 ein Diagramm der
Spannungen und Erregerströme der Anordnung nach F i g. 1, F i g. 3 eine andere Ausführungsform
des in F i g. 1 dargestellten Generators, F i g. 4 ein Stromspannungsdiagramm des
in F i g. 1 gezeigten Generators bei verschiedenen Drehzahlen, F i g. 5 ein Stromspannungsdiagramm
des in F i g. 3 gezeigten Generators bei verschiedenen Drehzahlen. Die Regelmaschine
m..3 mit den beiden Ständerwicklungen UV W2 und UVW, sitzt mit dem Generator
ml mit der Ständerwicklung UVW, auf einer gemeinsamen Welle, wie F i g. 1 zeigt.
Der Erregerwicklung IKl des Generatorpolrades wird der Erregerstrom über die Spannungswicklung
UVW3 und den Hauptgleichrichter n, unmittelbar zugeführt. Die Erregerwicklung 1K.,
des Polrades der Regelmaschine wird durch den Nebengleichrichter n2 gespeist, der
seinerseits seinen Eingangswechselstrom über eine luftspaltlose Eisendrossel K,
vom Generator erhält. Durch einen mit dem Drehzahlverstellhebel oder einem Fliehkraftregler
s mechanisch gekuppelten Wahlschalter werden variable Anzapfungen der Drosselwicklung
eingeschaltet.
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Die Drossel K, im Erregerkreis der Regelmaschine wirkt sich auch,
wenn der Generator mit konstanter Drehzahl läuft, vorteilhaft aus. In gesättigtem
Zustand erhöht sie die Spannungsstabilität und verstärkt die Empfindlichkeit der
Regelung ganz erheblich; wenn der Generator unterhalb seines Sättigungsknies arbeiten
muß, übernimmt die gesättigte Drossel allein die Stabilität der Spannung. Die Induktivität
der Drossel, die oberhalb des Sättigungsknies stark abnimmt, bestimmt den Drosselstrom
IS und den diesem proportionalen Erregerstrom IlK2. Der Strom IIK2 und der in der
Spannungswicklung UVW3 fließende Magnetisierungsstrom I3 erzeugen zusammen den Fluß
im Regelständer, der bei gleichbleibender Frequenz und Generatorspannung ebenfalls
konstant sein muß. Eine Schwächung von I,K2 würde eine Verstärkung von 12 bewirken
und damit eine proportionale Zunahme des Generatorerregerstromes IlKr; dies hätte
einen Spannungsanstieg zur Folge. Schneller als die Spannung würden jetzt aber auch
die Ströme 15 und 1,K2 wachsen, so daß 1, wieder abnähme. Eine Abnahme von
I2 würde andererseits eine Senkung der Generatorspannung bewirken; damit kann aber
die angenommene Erhöhung der Generatorspannung überhaupt nicht eintreten, sondern
die Spannung muß -bei richtiger Abstimmung aller Regelelemente aufeinander - stabil
bleiben.
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Zum Verständnis dieses Sachverhaltes trägt das in F i g. 2 dargestellte
Diagramm bei. Von nebenschlußerregten Gleichstrommaschinen her ist der Begriff der
sogenannten Widerstandsgeraden der Nebenschlußwicklung bekannt, deren Schnittpunkt
mit der Generatorkennlinie die Beharrungsspannung ergibt, bis zu welcher sich der
Generator bei einer bestimmten Drehzahl erregen kann. Eine wirkungsgetreue Widerstandskurve
läßt sich auch bei dem hier beschriebenen Generator darstellen.
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Kurve 1 in F i g. 2 ist die Generatorleerlaufkemilinie in Abhängigkeit
von dem dem Erregerstrom IlKr proportionalen Strom 13, der in der Spannungswicklung
UVW, des Regelständers fließt. Die Kurve 3 ist die Kennlinie der in der Wicklung
UVW, vom Strom 13 erzeugten Spannung. Die unterhalb der
Kurve 1
liegende Kurve 3 schneidet diese erst bei sehr hoher Erregung. Der waagerechte Abstand
der Kurven 1 und 3 entspricht der jeweiligen Gleichstromerregung 0,K2, die erforderlich
ist, um zusammen mit dem der Spannung Ui entsprechenden Strom 13 eine gleichhohe
Spannung U2 in der Wicklung UVW3 zu erzeugen. Da diese Erregung 01K2, die als Strom
IS über die Drossel K1 fließt, mit Hilfe der Windungszahlen der Wicklungen 1K, und
UVW3 in Einheiten von 13 umgerechnet werden kann, ist -es ohne weiteres möglich,
eine Drosselcharakteristik US in Abhängigkeit von I3 (Kurve 4) aufzutragen und diese
dann als Kurve -2 an die Kurve 3 anzuscheren. Die Kurve 2 ist dann die gesuchte
Widerstandslinie der Erregung 0,K2, welche mit der Kurve :t bei b einen ausgeprägten
Schnittpunkt ergibt, sie bei normaler Generatorerregung fast senkrecht schneidet.
Der Schnittpunkt b ist der Beharrungspunkt der Spannung, über den hinaus sich der
Generator nicht erregen kann. Legt man die Kurve 4 tiefer, z. B. durch Ändern
der Drosselwindungszahl oder Vorsehen eines Luftspaltes, so liegt die eingestellte
Generatorspannung Ui niedriger. Es ist möglich, den Betriebspunkt auch unterhalb
des Sättigungsknies der Generatorkennlinie zu legen, ohne daß dabei die Stabilität
der Spannung verlorengeht, sofern nur die Drossel gesättigt bleibt; dies bietet
jedoch keinerlei Schwierigkeiten.
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Erhöht sich die Drehzahl, so muß auch die Drosselkurve 4 so verlagert
werden, daß sie die der höheren Drehzahl entsprechende Generatorkennlinie wieder
auf der gewählten Spannungshöhe schneidet. Die Verlagerung der Drosselkurve geschieht
durch die drehzahlabhängige Frequenz und durch frei wählbare Windungszahlen bzw.
durch freie Änderung der magnetischen Widerstände. Bei der Ausführungsform nach
F i g. 1 wird in diesem Sinne die Windungszahl der Drossel mit dem Regelorgan der
Antriebsmaschine, beispielsweise eines Dieselmotors, verstellt.
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Die Verhältnisse für zwei.verschiedene Drehzahlen sind in dem durch
F i g. 4 veranschaulichten Diagramm dargestellt. Das Drehzahlverhältnis beträgt
hier 1: 3. Die Kurven 1.1 bzw. 3.1 sind die Kennlinien des Generators bzw. des Regelmaschinenständers
für die Grunddrehzahl, die Kurve 4.1 ist die Drosselkennlinie und die Kurve 2.1
die dazugehörige Widerstandslinie. Die Strecken _a5 und cd sind gleich. Bei der
dreifachen Drehzahl erhält man analog die Kennlinien 1.2 und 3.2. Die Drosselkurve
4.2 ist fär die neue Drehzahl durch Einstellen einer bestimmten Windungszahl so
zu legen, daß die Strecken _j: und cg auf der Höhe der Spannung U =1,0 gleich
sind. Durch Scheren der Kurve 4.2 an die Kurve 3.2 erhält man die neue Widerstandslinie
2.2 mit dem ausgeprägten Schnittpunkt f.
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Bei der in F i g. 3 gezeigen Ausführungsform wird statt der anzapfumschaltbaren
Drossel der F i g. 1 eine Kombination aus einer urveränderbaren, in der Sättigung
betriebenen Drossel Kl und einer Drossel K2 mit veränderbarem Luftspalt verwendet.
Zusätzlich ist ein veränderbarer Luftspalt-Stromtransformator m4 vorgesehen, der
im Stern mit dem Sternpunkt Mp, geschaltet ist und ebenso wie die Drossel K2 durch
den Drehzahlverstellhebel s verstellt werden kann. Durch den Laststrom wird eine
kleine Strom- und leistungsfaktorabhängige Zusatzspannung erzeugt, welche in Reihenschaltung
mit der Drosselspule den Drosselstrom IS und damit den Strom IIK2 sehr wirksam ändert
und somit die Spannungsregelung beeinflußt. Durch die Verstellung des Luftspaltes
des Transformators läßt sich der Kompoundierungsgrad in Anpassung an die Drehzahl
des Generators verändern; bekannterweise ist meistens die Lastzusatzerregung des
Generators bei dessen geringerer Sättigung geringer als bei normalem Feld. Auch
bei Generatoren für konstante oder statisch wenig veränderliche Drehzahl kann eine
solche Anpassung des Kompoundierungsgrades vorteilhaft sein.
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Der Stromtransformator m4 kann auch mit der Luftspaltdrossel K2 zu
eiriem einzigen Gerät vereinigt werden, d. h. zu einer Drosselspule mit verstellbarem
Luftspalt mit wenigen Stromwindungen, die den Drosselstrom IS ebenfalls Strom- und
leistungsfaktorabhängig beeinflussen.
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Während die Drossel K2 bei geschlossenem Luftspalt voll gesättigt
und bei geöffnetem Luftspalt schwach oder ungesättigt ist, wird die Drossel K2 stets
hochgesättigt betrieben, so daß die erforderliche Sättigungscharakteristik im. Regelkreis
immer sichergestellt ist. Das Stellglied r1 in den F i g. 1 und 3 dient zum Einjustieren
des Regelkreises.
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In F i g. 5 ist das zur Anordnung nach F i g. 3 gehörige Stromspannungsdiagramm
dargestellt, dessen rechter Teil dem der F i g. 4 mit Ausnahme der etwas geänderten
Widerstandslinie 2.2 gleicht. Die Kurven 5.1 und 5.2 sind die
Kennlinien der gesättigten Drossel bei der kleinen und der großen Drehzahl. Die
Kurve 4.1 ist die Charakteristik der Luftspaltdrossel bei Luftspalt 0 und
kleiner Drehzahl, die Kurve 4.2 diejenige bei entsprechendem Luftspalt und hoher
Drehzahl. Die Widerstandslinie 2.2 bei hoher Drehzahl ergibt noch einen »stabilen«
Schnittpunkt f mit der Generatorkennlinie 1.2.