DE1563540C - Halbleiter Spannungsregler fur einen selbsterregten Wechselstromgene rator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-Spannungsregler für einen selbsterregten Wechselstromgenerator, insbesondere für einen Drehstrom-Synchrongenerator, dessen Erregerwicklung über einen ungesteuerten Gleichrichter und einen Thyristor an der Generator-Wechselspannung liegt, bei dem die Steuerelektrode des Thyristors über einen ersten Widerstand und eine Diode mit seiner Anode verbunden ist und bei dem ein von der Generatorspannung steuerbarer Transistor parallel zu einem zweiten Widerstand liegt, welcher zweite Widerstand einerseits mit, dem Verbindungspunkt des ersten Widerstandes und der Diode und andererseits mit der Kathode des Thyristors verbunden ist.

Bei den bekannten Reglern der vorstehenden Art wird ein sogenanntes Zweipunkt-Verfahren (USA.-Patentschrift 3 009 091) angewendet. Hierbei fließt der Erregerstrom während einer bestimmten Anzahl von Halbwellen und wird hierauf für eine bestimmte Zeitspanne gesperrt. Auf solche Weise läßt sich nur eine verhältnismäßig grobstufige Regelung erzielen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, mit einfachsten Mitteln eine quasistetige Regelung herbeizuführen.

Diese Aufgabe laßt sich lösen, wenn erfindungsgemäß der Spannungswandler für die Istwert-Messung derart an die Generator-Wechselspannung angeschlossen ist, daß die an ihm abgenommene Spannung gegenüber der Erregerspannung eine Phasenverschiebung aufweist, der Gleichrichter für diese Spannung ein Halbwellen-Gleichrichter ist, der Reihenschaltung aus dem Gleichrichter und der Sekundärwicklung des Spannungswandlers ein Kondensator parallel liegt und die Istwert-Meßeinrichtung über einen Widerstand und eine nichtlineare Brücke an die Steuerstrecke des Transistors angeschlossen ist.

Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere in seiner praktisch stetigen Zündwinkelsteuerung.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes vereinfacht wiedergegeben.

Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild mit den wesentlichen Elementen,

F i g. 2 ein Spannungs-Zeit-Diagramm,

F i g. 3 den Verlauf der Ausgangsspannung einer Spannungsmeßbrücke,

F i g. 4 ein Schaltbild mit Zusatzelementen,

F i g. 5 einen Spannungsverlauf in Funktion der Frequenz.

In Fig. 1 ist mit 1 der Synchrongenerator, mit 2 desen Erregerwicklung bezeichnet, die über einen ungesteuerten Gleichrichter 3 und den Thyristor 4 gespeist wird. Dieser Erregungskreis ist zwischen der Phase Γ und dem Sternpunkt O der Dreiphasenwicklüng angeschlossen. An den Phasen S und Γ ist der Spannungswandler 5 angeschlossen, der den HaIbwellengleichrichter 6 speist. Die Zenerdioden 8,9 mit den Widerständen 10,11 bilden eine Spannungsmeßbrücke, die über den Widerstand 7 vom Gleichrichter 6 im Zusammenwirken mit dem Kondensator 12 gespeist wird.

Wenn die Spannung der Phase S gegenüber T positiv ist, wird der Kondensator 12 auf den Spitzenwert der über den Spannungswandler 5 transformierten Spannung aufgeladen, nachher entlädt er sich nach einer Exponentialfunktion entsprechend dem Verlauf von U_c in Fig. 2 (U_B wäre die gleichgerichtete Spannung ohne Kondensator 12).

Der Verlauf der Ausgangsspannung A U der Spannungsmeßbrücke 8,9,10,11 mit Widerstand 7 in Funktion der speisenden Spannung U_c (Ausgang unbelastet) zeigt den in F i g. 3 dargestellten Verlauf. Der Wert von U_c, wo A = 0 wird (U _c > 0) und der

mit U_Co bezeichnet werden soll, ist als horizontale Gerade U_{c 0} in F i g. 2 eingetragen. Im Normalbetrieb pendelt nun die Kondensatorspannung U_c periodisch um den Wert U_Co. Ist nun £/_c>t/_Co, so ist AU negativ und liegt in Durchlaßrichtung der Basis-Emitterstrecke eines NPN-Transistors 16, so daß darüber ein Basisstrom fließen kann. Letzterer bewirkt, daß ein bedeutend größerer Strom zwischen Kollektor und Emitter von der gleichgerichteten Spannung vom Gleichrichter 3 über Widerstände 13 und 15 fließen kann. Der maximale Kollektorstrom ist begrenzt durch die Spannung an einer Zenerdiode 14 und den Ohmwert des Widerstandes 15. Da nun der durch den Widerstand 15 fließende Strom kleiner ist als der Basisstrom multipliziert mit dem Stromverstärkungsfaktor, bildet der Transistor 16 zwischen Kollektor und Emitter praktisch einen Kurzschluß, ein Kondensator 18 bleibt ungeladen. Unterschreitet die Spannung U_c den Wert U_Co, so wird der Transistor sperrend, und der durch den Widerstand 15 fließende Strom bewirkt über einen niederohmigen Widerstand 17 die Aufladung des Kondensators 18. Zwischen dem Kollektoranschluß des Transistors 16 und der Steuerelektrode (Tor, Gate) des Thyristors 4 liegt eine Diode (Kippdiode, Vierschichtdiode, Skockleydiode) 19. Dieses Halbleiterelement stellt bis zur sogenannten Schaltspannung einen sehr hohen Widerstand dar. Beim Überschreiten der Schaltspannung geht sie in den niederohmigen Zustand über (sie zündet), wenn die äußere Schaltung einen Strom von mindestens der Höhe des sogenannten Haltestroms zuläßt. Wenn nun die Spannung an dem Widerstand 17 und dem Kondensator 18 die Schaltspannung der Diode 19 erreicht, so wird letztere niederohmig, und der Kondensator wird über die Steuerelektrode und die Kathode des Thyristors 4 entladen. Durch diesen Entladestromstoß, dessen Maximalwert durch die Schaltspannung der Diode 19 und den Widerstand 17 bestimmt ist, wird der Thyristor 4 stromführend und legt damit die Erregerwicklung 2 an die Spannung U_D des Gleichrichters 3. Die den Gleichrichter 3 speisende Spannung (Γ — 0) ist in bezug auf die gemessene Spannung (S — T) um 150° elektrisch phasenverschoben, so daß die vom Gleichrichter 3 abgegebene Spannung U₀ den in Fig.2 dargestellten Verlauf hat. Jeweils nach dem Unterschreiten der Kondensatorspannung U_c im Meßkreis unter U_Co wird durch den Transistor die Aufladung des Kondensators 18 freigegeben, so daß nach einer kurzen Verzögerungszeit t_v der Thyristor 4 gezündet wird. Die Spannung an der Erregerwicklung hat damit den mit U_E bezeichneten Verlauf (Fig. 2). Bei jedem Absenken der vom Gleichrichter 3 abgegebenen Spannung U₀ auf Null wird der Strom im Thyristor 4 Null und dieser damit wieder sperrend, da der durch die Induktivität der Erregerwicklung 2 aufrechterhaltene Strom über die Diode 20 fließen kann.

Beim nachfolgenden Ansteigen von U₀ bleibt der Thyristor 4 gelöscht, da inzwischen U_c wieder größer als U_Co geworden ist.

Wenn nun am Generator Last zugeschaltet wird, so daß die Spannung U_c sinkt, so wird der Thyristor 4 früher gezündet und damit der Mittelwert von U_E und dadurch die Erregung erhöht. Steigt hingegen die Spannung U_c infolge einer Entlastung des Generators, so wird die Zündung nach rechts verschoben, so daß die Erregung reduziert wird.

Da der sägezahnförmige Verlauf von U_c nicht beliebig flach gemacht werden kann, sinkt die Generatorspannung mit zunehmender Belastung etwas ab. Dieser Verlauf ist aber notwendig, wen_;n ein Synchrongenerator mit weiteren Synchrongeneratoren oder mit einem Netz parallel arbeiten soll, um dadurch eine gleichmäßige Blindlastverteilung zu erzielen. Wünscht man hingegen eine von der Belastung unabhängige Spannung für einen im Inselbetrieb laufenden Generator zu erzielen, so kann ein zusätzlicher Strom auf die Basis-Emitterstrecke des Transistors 16 gegeben werden, der von der Erregerspannung U_E über die Widerstände 21, 22 gegeben wird. Der Kondensator 23 dient dabei als Glättungskondensator.

Damit der Generator seine Erregung mit Hilfe der Remanenzspannung selbst aufbauen kann, ist ein Startrelais 24 vorgesehen, das mit seinem Kontakt den Thyristor 4 überbrückt. Bevor die Generatorspannung ihren Nennwert erreicht, wird der Relaiskontakt geöffnet und damit die Funktion des Thyristors 4 freigegeben. Die Relaisspule selber wird durch die am Gleichrichter 3 auftretende Sperrspannung gespeist. Arbeitet der Gleichrichter 3 in Durchlaßrichtung zur Speisung der Erregerwicklung 2, wirkt er als Freilaufdiode für die Relaisspule und verhindert damit ein Klappern. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung liegt noch darin, daß, wenn der Gleichrichter 3 und der Thyristor 4 in Sperrichtung beansprucht sind, die Sperrspannung durch den Widerstand 13 und die Spule des Relais 24 aufgeteilt wird. Durch diese Anordnung wird beim Auftreten von Schaltüberspannungen erreicht, daß sie infolge der Induktivität des Relais zur Hauptsache am Gleichrichter 3 auftreten, der in Sperrichtung eine höhere Sperrfähigkeit besitzt als der Thyristor 4.

Bei der beschriebenen Schaltung ist der Erregungskreis zwischen einer Phase und dem Nulleiter angeschlossen. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, den Erregungskreis zwischen zwei Phasen anzuschließen. Die gleiche Anordnung kann auch zur Erregung von Emphasengeneratoren verwendet werden, wobei Messung und Erregung von der gleichen Spannung gespeist werden. Es muß lediglich darauf geachtet werden, daß die eine Halbwelle für die Messung und die andere Halbwelle für die Erregung verwendet wird.

Will man den Sollwert eines derart erregten und geregelten Generators verstellen, so kann das auf einfache Weise durch Verstellen des Widerstandes 7 geschehen.

Die als einphasig beschriebene Anordnung der Messung der Generatorspannung und Steuerung des Thyristors kann aber auch bei entsprechender Vergrößerung des Aufwandes mehrphasig ausgeführt werden. Dies erscheint besonders für größere Erregungsleistungen vorteilhaft, die mit einer einphasigen Anordnung nicht mehr bewältigt werden können.

Bei der beschriebenen Regeleinrichtung wird die Spannung unabhängig von der Frequenz geregelt. In besonderen Fällen ist es aber erwünscht, unterhalb der Nennfrequenz die Spannung proportional zu reduzieren, um eine Übersättigung des Generators sowie der gespeisten Motoren und Transformatoren zu vermeiden. Durch einen kleinen Zusatz gemäß Fig. 4 kann das erreicht werden. Die mit 5 bis 12 bezeichneten Elemente sind mit denjenigen der F i g. 1 identisch. Beim Spannungswandler 5 wird

sein Kern vorzugsweise aus Dynamoblechen gefertigt, die einen möglichst ausgeprägten Sättigungsknick aufweisen. Kommt nun der Spannungswandler in die Sättigung, so steigt sein Magnetisierungsstrom sehr steil an. Dieser Strom wird über einen Stromwandler 25 einem Gleichrichter 26 zugeführt und nach Glättung durch einen Kondensator 27 über einen Widerstand 28 in die Spannungsmeßbrücke 8, 9, 10, 11 gespeist. Die Regeleinrichtung hält damit die Summe der beiden durch die Widerstände 7 und 28 fließenden Ströme konstant. Da nun die Sättigungsspannung des Spannungswandlers 5 mit der Frequenz proportional ist, setzt bei tieferer Frequenz der Strom durch den Widerstand 28 früher ein, wodurch eine annähernd frequenzproportionale Spannungsregelung erzielt wird. Bei genügend hoher Frequenz und entsprechender Spannung genügt der Strom über den Widerstand 7 allein, um die Spannungsmeßbrücke zu speisen, der Spannungswandler 5 muß gar nicht in die Sättigung kommen, es wird auf konstante Spannung geregelt. Die geregelte Spannung in Funktion der Frequenz hat den in Fig. 5 dargestellten Verlauf. Unterhalb der Frequenz /₀ wird auf annähernd konstanten Fluß geregelt, eine Übersättigung des Generators und der angeschlossenen Motoren und Transformatoren wird verhindert. Oberhalb der Frequenz /₀ wird auf konstante Spannung geregelt, eine Überlastung spannungsempfindlicher Verbraucher wie Glühlampen und mit Halbleitern bestückter Geräte wird vermieden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Halbleiter-Spannungsregler für einen selbsterregten Wechselstromgenerator, insbesondere für einen Drehstrom-Synchrongenerator, dessen Erregerwicklung über einen ungesteuerten Gleichrichter und einen Thyristor an der Generator-Wechselspannung liegt, bei dem die Steuerelektrode des Thyristors über einen ersten Widerstand und eine Diode mit seiner Anode verbunden ist und bei dem ein von der Generatorspannung steuerbarer Transistor parallel zu einem zweiten Widerstand liegt, welcher zweite Widerstand einerseits mit dem Verbindungspunkt des esrten Widerstandes und der Diode und andererseits mit der Kathode des Thyristors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungswandler (5) für die Istwert-Messung derart an die Generator-Wechselspannung angeschlossen ist, daß die an ihm abgenommene Spannung gegenüber .der Erregerspannung eine Phasenverschiebung aufweist, daß der Gleichrichter (6) für diese Spannung ein Halbwellen-Gleichrichter ist, daß der Reihenschaltung aus dem Gleichrichter (6) und der Sekundärwicklung des Spannungswandlers (5) ein Kondensator (12) parallel liegt und daß die Istwert-Meßeinrichtung (5, 6, 12) über einen Widerstand (7) und eine nichtlineare Brücke (8,9,10,11) an die Steuerstrecke des Transistors (16) angeschlossen ist.

2. Halbleiter-Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erregerwicklung (2) eine Diode (20) parallel geschaltet ist, an der die Reihenschaltung eines Kondensators (23) und eines Widerstandes (21) liegt, während ein weiterer Widerstand (22) einerseits an die Basis des Transistors (16), andererseits an die Verbindung zwischen dem Kondensator (23) und dem Widerstand (21) der Reihenschaltung angeschlossen ist.

3. Halbleiter-Spannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Startrelais (24) vorgesehen ist, dessen Spule parallel zum ungesteuerten Gleichrichter (3) und. dessen Kontakt parallel zum Thyristor (4) liegt.

4. Halbleiter-Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Primärkreis des Spannungswandlers (5), der als Sättigungswandler ausgebildet ist, die Primärwicklung eines Stromwandlers (25) liegt, dessen Sekundärwicklung über eine Gleichrichteranordnung (26), einen Parallel-Kondensator (27) und einen Reihen-Widerstand (28) an den Eingangsklemmen der Spannungsmeßbrücke (8,10,9,11) liegt.

5. Halbleiter-Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkreis mit dem Spannungswandler (5) und dem Gleichrichter (6) mehrphasig ausgeführt ist.