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Erregereinrichtung für Synchronmaschinen Der Erregerstrom von Synchronmaschinen
muß an die jeweils angeschlossene Belastung angepaßt werden, damit die Spannung
konstant bleibt, dabei sind heute Stromänderungen zwischen Leerlauf und Nennlast
von 1 : 2 bis 'l : 3 üblich. Damit die erforderlichen Stromänderungen wartungsfrei
durchgeführt werden, sind zahlreiche Steuerungs- und Reglungsverfahren entwickelt
worden.
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Alls Steuerungsverfahren werden z. B. Einrichtungen verwendet, die
aus Drosselspuldl, Stromwandlern, Gleichrichtern und Kondensatoren bestehen. Mit
diesen Einrichtungen wird der Erregerstrom an den gerade
vorhandenen
Belastungsstrom und an den Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom angepaßt. Die
Genauigkeit für alle Belastungsfälle zwischen Leerlau! des Generators und Nennlast
des Generators bei allen vorkommenden Leistungsfaktoren beträgt im allgemeinen ±2
bis ±3 %, in Sonderfällen ±1 ;d. Teilweise werden Erwärmungs- und Drehzahleinflüsse
nicht erfaßt, oder man muß umfangreiche Zusatzeinrichtungen hinzufügen, um derartige
Einflüsse wenigstens teilweise auszuschließen. Deshalb ist ein Regelungsverfahren,
durch das alle Einflüsse erfaßt werden, einer reinen Steuerung des Erregerstromes
vorzuziehen. Es sind deshalb Erregereinrichtungen im Gebrauch, die zusätzlich zur
Steuereinrichtung einen Regler verwenden, oder auch solche Einrichtungen, die nur
geregelt werden. Die meisten bisher bekannten Regler können jedoch nur derartig
kleine Leistungen regeln, daß man einen Leistungsverstärker einsetzen muß. Dies
ist beispielsweise die Erregermaschine, welche die Reglerleistung verstärkt. Der
Regler speist dabei das Feld der Erregermaschine: Als Regler verwendete man früher
Kontaktregler. Inzwischen werden überwiegend Regler mit Transistoren verwendet,
da man überall kontaktlose Regler fordert. Wenn. keine Fremdspannungsquelle zur
Verfügung steht,
erregt sich die Gleichstromerregermaschine nur
dann, wenn sie eine starke Nebenschlußwicklung hat und der Regler diese Wicklung
schwächt. Es ist auch möglich, die Synchronmachine über Thyristoren zu erregen und
dabei die Erregerleistung aus der Synchronmaschine selbst zu entnehmen. Aber auch
hier kann sich die Synchronmaschine bei Inbetriebnahme nicht selbst erregen. Es
sind zusätzliche Spannungsquellen oder Hilfsmaschinen erforderlich, mit denen man
den Erregervorgang bei Inbetriebnahme einleitet. Ein Erregersystem, bei demman die
Erregerleistung der Synchronmaschine direkt aus der Synchronmaschine entnimmt und
über einen Regler dem Feld zuführt, wäre die Ideallösung, denn diese Einrichtung
ist einfach, wenig störanfällig und wirtschaftlich, der Aufwand ist gering. Jedoch
haben alle derartigen bisher bekannten Verfahren den entscheidenden Nachteil, daß
eine Selbsterregung nicht möglich ist. Die Erfindung betrifft eine Erregereinrichtung
für Synchronmaschinen in kontaktloser Bauart, bestehend hauptsächlich aus Gleichrichtern
in beliebigen Schaltsystemen und einem Regler, dessen Bauteile zum Teil Transistoren
sind, wobei die Erregerleistung der Synchronmaschine direkt entnommen wird und über
die
Gleichrichter und Transistoren der Erregerfeldwicklung zugeführt
wird.
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Aufgabe der Erfindung ist eine Erregereinrichtung für eine Synchronmaschine,
bei der keine zusätzlichen Spannungsquellen erforderlich sind, eine Selbst-
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Endstufentransistor
des Reglers mit seiner Basis-Emitter-Strecke direkt über einen Arbeitswiderstand
mit der der Synchronmaschine entnommenen gleichgerichteten Spannung verbunden ist,
wobei der Arbeitswiderstand gleichzeitig mit der Emitter-Kollektor-Strecke des Vortransistors
verbunden wird und die Emitter-Kollektor-Strecke des Endtransistors über die Feldwicklung
mit der der Synchronmaschine entnommenen gleichgerichteten Spannung-verbunden ist.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht
und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.
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Fig. 1 und 2 zeigen Schaltbilder der Gesamtschaltung einer Erregereinrichtung
gemäß der Erfindung.
Fig. 3 zeigt im Detail ein Schaltbild der Erregereinrichtung.
Fig. 4 zeigt ein Gesamtschaltbild mit einer Zusatzeinrichtung. Fig. 5 ist ein Diagramm
der Erregerströme, aufgetragen üben dem Belastungsstrom. Wie in Fig. 1 und 2 veranschaulicht,
wird die Erregerleistung aus der Synchronmaschine 1 selbst entnommen, im Gleichrichter
2 gleichgerichtet und über einen Regler 3 der Feldwicklung 4 zugeführt. Über die
, Zeitung 14 wird die Mess-Spannung dem Regler 3 zugeführt. Die Erregerleistung
kann. dabei entweder aus der Drehstromwicklung 5 der Synchronmaschine nach Fig.
1 oder aus einer Drehstromhilfswicklung 6 nach Fig. 2 entnommen werden. Deshalb
ist diese Einrichtung auch für Wechselstrom-Synchronmaschinen verwendbar-. Der Gleichrichter
2 kann aus beliebigen Schaltsystemen bestehen, beispielsweise aus einer Drehstrom-BrÜckenschaltung:
Die kontaktlosen Bauteile des Reglers sind dabei so angeordnet, daß ohne zusätzliche
Maßnahmen eine Selbsterregung nur unter Verwendung der Remanenzspannung eintritt.
Dies
wird erreicht, indem man. nach Fig. 3 bei einem Halbleiterelement einen Transistor
7, der im Normal-
die Kollektor-Emitter-Strecke über Schutzwiderstände voll der gleichgerichteten
Remanenzwechselspannung aussetzt. Dabei ist der Schutzwiderstand vor der Basis-Emitter-Strecke
der Arbeitswiderstand 8, der gleichzeitig an der Emitter-Kollektor-Strecke des Yorstufentransistors
liegt, der im Normalbetrieb den Endtransistor aussteuert, der Schutzwiderstand vor
der Kollektor-Emitter-Strecke ist der Widerstand der Feldwicklung 4 der Synchronmaschine
1. Außerdem kann durch ein Schwellspannungsbauteil 10 dafür gesorgt werden, daß
die Regler-Vorstufen 9 des Transistorreglers nicht arbeiten, wenn der Generator
nur Remanenzspannungen abgibt, oder eine Spannung abgibt, die in der Größenordnung
der Remanenzspannung liegt. Dieser Effekt kann, beispielsweise durch eine Halbleiterdiode
erreicht werden.
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Der über den Basis-Schutz-Widerstand fließende geringe Strom, der
von der Remanenzspannung getrieben wird= macht die Kollektor-Emitter--Strecke des
Endstufentransistors etwas stromdurchlässig, nach Maßgabe der Stromverstärkung des
Transistors. Dieser
Kollektor-ESnitter-Strom fließt jedoch auch
durch die Erregerfeldwicklung und verstärkt dadurch das Remanenzfeld. Der Vorgang
schaukelt sich in bekannter Weise auf, wie bei allen Selbsterregungsvorgängen, bis
daß die Erregerspannung so groß geworden ist, daß der Regler seine normale Arbeitsweise
aufnimmt.
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Die im Betrieb auftretenden Spannungen und Ströme werden durch geeignete
Bemessung der Widerstände so gewählt, daß keine Überlastung an den Halbleiterelementen
auftritt.
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Bei sehr schwacher Remanenzspannung kann man den Selbsterregervorgang
noch verbessern oder überhaupt erst ermöglichen, indem man parallel zum Indstufentransistor
nach Fig. 3 einen Widerstand 1'i verwendet, der ebenfalls Strom führt, wenn die
Remanenzspannung wirksam wird und dessen Strom auch durch die Erregerwicklung fließt.
Der Widerstand darf in seinem Widerstandswert jedoch nicht zu klein bemessen werden,
denn sonst ist es nicht möglich, den Generator im Leerlauf zu betreiben, weil durch
den Widerstand der Erregerstrom auch ohne Regler schon größer wäre als der Leerlauferregerstrom.
Durch diesen Widerstand werden auch eventuell auftretende Spannungsspitzen, die
den Transistor 7 durchschlagen würden, gedämpft.
Häufig wird vön
der Erregereinrichtung für Synchronmaschinen g'efordert, daß sie auch hohe Überlastungsströme
der Maschine kurzzeitig zuläßt, ohne daß die Spannung wesentlich zusammenbricht.
Dies ist vor allem nötig, wenn relativ große Asynchronmaschinen eingeschaltet werden,
die beim Einschalten den 4- bis ?-fachen Nennstrom aufnehmen. Würde Spannung und
Strom bei solchen Überlastungen zusammenbrechen, dann wäre es nicht möglich, diese
Asynchronmotoren einzuschalten. Sehr oft verwendet man in den Stromversorgungsnetzen
auch selektive Überstrom- und Kurzschlußeinrichtungen. Diese Einrichtungen erfüllen
nur dann ihre Aufgabe, wenn die Synchronmaschine bei einem Netzkurzschluß einen
großen Dauerkurzschluß-Strom abgibt.
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Die vorliegende Erregereinrichtung bewirkt jedoch, daß bei einem Kurzschluß
nur ein sehr kleiner Dauerkurzschluß-Strom abgegeben wird, der nur durch das Remanenzfeld
in der Maschine entsteht. Es ist aber möglich, die vorliegende Erregereinrichtung
durch eine Zusatzeinrichtung so zu verbessern, daß auch die beiden oben erwähnten
Bedingungen, hohe Überlastungsfähigkeit und großer Dauerkurzschluß-Strom..erfüllt
werden.
Man verwendet hierzu nach Fig. 4 einen Zusatzstromwandler
12, der einphasig öder mehrphasig sein kann und beaufschlagt die FrimärwicXlaua.g
dieses Zusatzwandlers mit dem Synchronmaschinen-Hauptstrom. Der Sekundärstrom des
Zusatzwandlers 12 wird in einer Gleichrichterschaltung 13 gleichgerichtet und der
Synchronmaschinenfeldwicklung zugeführt. Bei Verwendung einer geeigneten Gleichrichterschaltung,
beispielsweise einer Brückenschaltung, beeinflussen sich die Erregereinrichtung
und der Zusatzwandler nicht. Der vom Zusatzwandler gelieferte Strom fließt in jedem
Fall durch die Synchronmaschinenfeldwicklung. Solange dieser Strom kleiner ist als
der gerade erforderliche Erregerstrom und dies ist im Bereich vom Leerlauf .bis
Nennlast der Fall, liefert die Erregereinrichtung den noch fehlenden Strom. Ist
der gleichgerichtete Zusdzwandlerstrom aber .größer als der erforderliche Erregerstrom
oder kann die Erregereinrichtung.wegen Überlast den erforderlichen Erregerstrom
nicht mehr liefern., dann wird die Höhe des tatsächlich fließenden Synchronmaschinenerregerstromes
durch den Stromwandler bestimmt. Der sekundäre Stromwandlerstrom wird erst begrenzt,
wenn der Eisenkern: des Stromwandlers magnetisch gesättigt wird.
Die
Wirkungsweise von Erregereinrichtung und Stromwandler ist in Fig. 5 dargestellt.
Hier ist auf der Ordinate der Erregerstrom Ie der Synchronmaschine dargestellt.
Ieo ist der Erregerstrom bei leerlaufender Synchronmaschine. Auf der Abszisse ist
der Belastungsstrom Ia der Synchronmaschine eingetragen. Ian ist der Nennbelastungsstrom.
Die waagerechte Gerade 21 ist der maximal vom Regler gelieferte Erregerstrom. Die
Erregereinrichtung mit dem Gleichrichter 2 und dem Regler 3 kann nicht mehr Erregerstrom
abgeben, als durch die Gerade 21 angegeben wird. Die Gerade 25 ist der Stromanteil,
der von der Zusatzeinrichtung geliefert wird. Die Kennlinien 22, 23 und 24 stellen
den Erregerstrombedarf der Synchronmaschinen bei konstanter Spannung und verschiedenen"Leistungsfaktoren
dar, abhängig vom Belastungsstrom der Maschine. Dabei ist 22 eine Kennlinie beispielsweise
für den Leistungsfaktor O induktiv, 23 eine Kennlinie für den Leistungsfaktor
0,8 induktiv und 24 eine Kennlinie fÜr den Leistungsfaktor 1. Die Kennlinie
24 wird durch die Gerade 25 in zwei Teile getrennt. Der rechte Teil der Kennlinie
24 kann dabei durch den Regler nicht eingestellt werden, da die Zusatzeinrichtung
schon mehr Strom als diesen benötigten Erregerstrom liefert und auf jeden Fall durch
die Erregerfeldwicklung treibt.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht
die Anordnung einer einfachen Erregereinrichtung bei einer Synchronmaschine. Dabei
bewirkt diese Erfindung im Vergleich zu bekannten Einrichtungen eine sichere Selbsterregung,
Vermeidung aller Bauteile mit Kontakten, äußerst wirtschaftliche Fertigung wegen
des einfachen Aufbaues, geringe Störanfälligkeit und die Ergänzungsmöglichkeit durch
eine Zusatzeinrichtung, durch die eine große Überlastungsfähigkeit und ein großer
Dauerkurzschluß-Strom erreicht wird. Es sind Erregerverfahren bekannt, die diese
technischen Eigenschaften ganz oder teilweise aufweisen, dabei ist aber ein größerer
Aufwand als bei der vorliegenden Erfindung nötig.