DE2357385C3 - Elektrischer Generator mit eingebauter Steuereinrichtung - Google Patents
Elektrischer Generator mit eingebauter SteuereinrichtungInfo
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Description
unabhängig von der Einführung weiterer herkömmlicher Hilfsmittel, die ebenfalls verwendet
werden können, um diese Charakteristiken weiter zu verbessern.
Schließlich kann der Generator so ausgebildet werden, daß die Erregerwicklung praktisch frei von
störenden Fremdinduktionen wird, so daß auch der Einsatz von Dauermagneterregerpolen oder supraleitenden
Feldwicklungen möglich ist.
Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion wird von den bekannten magnetischen Verstärkern mit in Reihe
geschalteten Wicklungen und einer Steuerschaltung mit großer Impedanz Gebrauch gemacht, wie sie beispielsweise
in dem Aufsatz von H. F. Storm, »Series
connected saturable reactor with control source of comparatively high impedance« in AIEE Paper 50—205
Transactions 1950 S. 1299 -1309 beschrieben ist.
Bekanntlich hat diese Art von Sättigungsdrosseln bzw. Magnetverstärkern die interessante Eigenschaft,
eine hohe Ansprechgeschwindigkeit zu besitzen. Unter theoretischen Bedingungen folgt der Ausgangsstrom
oszillographisch, d. h. Zeitpunkt für Zeitpunkt und ohne nennenswerte Verzögerung den Änderungen des
Eingangsstroms. Diese Magnetverstärkerbauart hat jedoch einen Nachteil, der bislang seine Anwendung in
Starkstromschaltungen verhindert hat: Die Ausgangs-(oder Arbeits-) wicklung des Magnetverstärkers induziert
in der Eingangs- (oder Steuer-)wicklung geradzahlige Oberwellen, deren Beseitigung oder Dämpfung das
Hinzufügen einer Impedanz in Reihe mit der Eingangsschaltung erfordert. Die ohmsche Komponente dieser
Impedanz verringert den Verstärkungsfaktor, der erzielt werden kann, und die Komponente verringert die
Ansprechgeschwindigkeit. Die Verwendung dieser Art von Magnetverstärker ist bislang lediglich auf Anwendüngen
in Schwachstrom- oder Meßschaltungen beschränkt geblieben, in welchen die Eingangswicklung,
durch die der zu messende Gleichstrom fließt, nur aus
wenigen Windungen oder, unter einschränkenden Bedingungen, aus einer einzigen Windung gebildet ist
und in welchen die Ausgangswicklung die Meßwicklung ist. Der Verstärkungsfaktor ist in diesem Fall kleiner als
1, da er bekanntlich eine Funktion des Verhältnisses der Windungszahl am Eingang zu der Windungszahl am
Ausgang ist.
Bei dem Generator nach der Erfindung hat man
umgekehrt die Rückwirkung der Ausgangswicklung auf den Eingang aus folgedem Grund beseitigt:
Wegen der Winkelbreite des Einwirkungsbereiches des Induktorfeldes (ein Bereich, der der Ausdehnung
bzw. Breite der Polschuhe des Induktors entspricht, wenn letzterer ausgeprägte Pole hat) sind gleichzeitig
mindestens zwei Magnetverstärker leitend, die körperlich
benachbart sind und elektrisch zu zyklisch aufeinanderfolgenden Phasen gehören; jeder dieser
Magnetverstärker ist aus mindestens zwei Reihenschlußwindungen gebildet, die in zueinander entgegengesetzten
Richtungen auf zwei Schenkel gewickelt sind, die durch das Blechpaket des Ankers und die
Ankerwicklung miteinander verbunden sind. Während der gegenwirkende Schenkel (das ist derjenige, der die
Windung trägt, die den in Bezug auf den Induktorfluß subtraktiven Fluß erzeugt) des ersten Magnetverstärkers
seinen Reaktionsfluß vergrößert, verringert der gegenwirkende Schenkel des zweiten Magnetverstärkers
seinen Fluß, d. h. ist einer gleichen und entgegengesetzten Änderung ausgesetzt. Da die beiden Schenkel
zueinander parallel geschaltet und als Gesamtheit mit dem magnetischen Kreis des Induktors oder der
Eingangswicklung in Reihe geschaltet sind, heben sich die genannte Vergrößerung und Verkleinerung mit
Bezug auf die Eingangswicklung gegenseitig auf. Mit anderen Worten, die veränderliche Komponente des
Reaktionsflusses eines gegenwirkenden Schenkels wird durch den anderen Schenkel geschlossen, ohne die
Eingangswicklung einzuschließen. (Diese Trennung zwischen den Eingangs- und Ausgangswicklungen mit
Bezug auf die Wechselstromkomponente des Reaktionsflusses wird durch das mögliche Vorhandensein
eines Luftspalts zwischen dem Induktor und Anker vergrößert).
Demzufolge wird in dem Eingangs- oder Steuerkreis, der bei der Erfindung die Induktorwieklung selbst
aufweist, im Grunde genommen keine Spannung
induziert und das Verhältnis (Eingangswindungen/Äusgangswindungen),
welches die Stromverstärkung darstellt, kann folglich beträchtlich größer als 1 gemacht
werden, ohne daß an dem Eingang irgendeine Glättungsimpedanz erforderlich ist und folglich ohne
daß die Ansprechgeschwindigkeit oder die Verstärkung beeinträchtigt werden.
Außerdem erbringen die Generatprwicklungen an den inneren Steuermagnetverstärkern eine Stromgegenkopplung,
die einer Vergrößerung des Eingangswiderstandes entspricht und bekanntlich auch den
Vorteil hat, die Zeitkonstante zu vergrößern und die Speisespannungsschwankungen zu verringern.
Die Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden, ins Einzelne gehenden Beschreibung''einer
möglichen Ausführungsform derselben, die als ein dreiphasiger, zweipoliger Generator dargestellt ist,
besser verständlich. Es ist jedoch selbstverständlich, daß die hier beschriebene Ausführungsform lediglich ein
Beispiel ist und daß sich die Erfindung nicht darauf beschränkt. Insbesondere sei klargestellt, daß die
Erfindung sehr gut bei Generatoren mit jeder anderen Pol-und Phasenzahl anwendbar ist.
Für die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 5 wird kein selbständiger Schutz beansprucht.
Das in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiel wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 das Schaltbild eines dreiphasigen, zweipoligen
Generators nach der Erfindung, der zum Speisen einer GleichstrOmlast, wie etwa der Erregerwicklung einer
elektrischen Synchronmaschine, verwendet wird,
F i g. 2 in Vorderansicht die Induktor- und Ankerkerne
des Generators, auf welchen die Induktorwicklung bzw. die drei Phasen der Ankerwicklung schematisch
dargestellt sind,
Fig. 3 ein vereinfachtes Diagramm, das sich auf den
Betrieb des über einen Gleichrichter an die Belastung angeschlossenen Generators bezieht, der keinen Laststrom
führt,
F i g. 4 ein vereinfachtes Diagramm, das sich auf den Betrieb des Generators mit verringertem Laststrom
bezieht,
F i g. 5 ein vereinfachtes Diagramm für den Betrieb des Generators mit einem Vollaststrom,
Fig.6 die ideale Magnetisierungskennlinie des
Werkstoffes des Ankerkernes des Generators und
Fig.7 einen Vergleich zwischen den äußeren
elektrischen Kennlinien eines Generators nach der Erfindung für einen Ankerkern aus zwei verschiedenen
Werkstoffen.
Gemäß den F i g. 1 und 2 wird jede Phase des Ankers 1 des in den Zeichnungen dargestellten Generators
2357585
durch eine Ankerwicklung G12-G13, G23-G21, G31-G32und durch eine Glättüngs- und Steuerwicklung:. --■·-■ r-:;-V : ■'■.'■-' ·■,-.■ ;■:■:. ^V. ".V / ■ :
:νί·. ■ - , :? ■ ; A3-A'3-B'3-B3)
gebildet, die elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind. Der besseren Übersichtlichkeit ist in F i g. 2 für
jeden Ankerkern nur eine einzige Windung gezeigt. Wie in Fig.2 deutlich gezeigt ist, sind die Windungen
G12-G13 bzw. G23-G21 bzw. G31-G32 der drei
Phasen zwar identisch, eine ist jedoch mit Bezug auf die nächste um 120° el. verschoben.
, In den Ankerwicklungen wird als Folge der Rotation im Erregerfeld (die in Fig.2 im Gegenuhrzeigersinn angenommen ist) eine Wechselspannung induziert, die vorzugsweise impülsmäßig ist, wobei die Ankerwicklungen einen elektrischen Winkel »α« von weniger als 360° umfassen, wie in F ig. 3 gezeigt ist.
, In den Ankerwicklungen wird als Folge der Rotation im Erregerfeld (die in Fig.2 im Gegenuhrzeigersinn angenommen ist) eine Wechselspannung induziert, die vorzugsweise impülsmäßig ist, wobei die Ankerwicklungen einen elektrischen Winkel »α« von weniger als 360° umfassen, wie in F ig. 3 gezeigt ist.
Die Glättüngs- und Steuerwicklung wiederum wird
für jede Phase und für jeden Pol von zwei konzentrierten
Wicklungen
Al-Bl,A2-B2,A3-B3
für einen Pol und > \ ...... , ;
ΑγΙ-Β'ί,Ά'2-Β'2,Α'3-Β'3
.für den entgegengesetzten Pol gebildet. Die Wicklungen
sind in Reihe geschaltet und auf entsprechende Kerne gewickelt, die durch das Ankerpaket miteinander
verbunden sind. Die Durchflutungsrichtungen dieser Wicklungen, sind in bezug auf den Erregerfluß, der durch
eine auf die Polschuhe 2 des Erregerteils 6 gewickelte Erregerwicklung 5 erzeugt wird, additiv bzw. subtraktiv,
jedes Paar dieser so konzentrierten Wicklungen bildet
folglich als Gesamtheit einen Magnetverstärker RSi,
RS2, RS3 (Fig. 1), der unter einem funktionalen Gesichtspunkt zwar einem ruhenden Magnetverstärker
der bekannten Reihenbauart gleicht, der jedoch dadurch gekennzeichnet ist, daß der Sättigungs-und Steuerfluß
der Erregerfluß selbst ist und, in der hier lediglich als Beispiel beschriebenen Ausführungsform, an den Magnetverstärker
über einen Luftspalt angelegt ist.
; Die Glättüngs- und Steuerwicklüngen jeder Phase
weisen mit Bezug auf die Ankerwicklungen derselben Phase, mit welcher sie elektrisch in Reihe geschaltet
sind, sowohl eine- räumliche als auch eine elektrische Phasenvoreilung aufl· Diese Phasenverschiebung ist so
gewählt, daß die speisenden Impulse jeder Phase nur dann erzeugt; werden, wenn die Glättüngs- und
Steuerwicklungen der betreffenden Phase bereits in den Induktorfluß eingetaucht und folglich in der Lage sind,
ihre Regulierüngsfunktion zu entfalten, wie im folgenden näher beschrieben wird. V
Die Magnetverstärker von benachbarten Phasen sind miteinander dufch Brücken 3, die: eine im folgenden
noch näher erläuterte Funktion haben, magnetisch gekoppelt.
Jeder Erregerpol 2 hat eine Polbreite, die ausreicht,
um unter der Wirkung seiner eigenen Amperewindungen die gleichzeitige Sättigung von mindestens zwei
Magnetverstärkern, die zu elektrisch und räumlich benachbarten Phasen gehören, auf einmal aufrechtzuerhalten,
und zwar aus den im folgenden dargelegten Gründen.
Der magnetische Werkstoff des Ankerkerns sollte vorzugsweise eine Magnetisierungskennlinie haben, die
so nahe wie möglich an die in Fig.6 schematisch dargestellte theoretische Magnetisierungskennlinie herankommt.
Der Betrieb des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Generators wird nun unter Bezugnahme auf die
Diagramme in den F i g. 3,4 und 5 näher beschrieben, in welchen ei, e2, &i die Spannungsimpulse sind, die durch
die Wicklungen G der Phasen 1 bzw. 2 bzw. 3 erzeugt werden.
Φ Αι,2,3; Φ 5i,2.3 sind die magnetischen Flüsse in den
Kernen bzw. Schenkeln, auf welche die Wicklungen ■Λι,2,3 bzw. vßi.2,3 gewickelt sind.
//.1,2,3 sind die Phasenströme;
Vi.1,2,3 sind die Phasenspannungen; Vl ist die Belastungsspannung;
Jl ist der Belastungsstrom (für eine Belastung, die
als rein ohmsche Belastung angenommen worden ist).
Es sollte hier auch Fig. 2 beachtet werden, in welcher
auf dem Innenumfang der Erregerpole eine Gradeinteilung angegeben ist, die den Graden des Winkels »α«
entspricht, der auf den Abszissen der Diagramme in den Fig.3, 4 und 5 dargestellt ist. Die Grade der
Winkelstellung des Ankers sind für den in Fig.2
gezeigten Zeitpunkt durch den Pf eil 4 angegeben.
"Betrieb ohne Belastungsstrom
In dem Zeitpunkt f =0, entsprechend dem elektrischen Winkel 0° (der elektrische Winkel fällt bei einer
zweipoligen Maschine mit dem räumlichen Winkel zusammen), ist der Magnetverstärker RSi (Fig.l und
2) in der magnetisch neutralen Achse und der Betriebspunkt seiner Kerne, auf welche die Wicklungen
A 1 und B1 gewickelt sind, befindet sich an dem O-Punkt
der Hystereseschleife von Fi g. 6. '
Eine Relativdrehung (z. B. im Gegenuhrzeigersinn) des Ankers in bezug auf den Induktor um 20° bewirkt,
daß der Magnetverstärker RSi in den Erregerfluß
kommt. Unter der Annahme, daß die Amperewindungen des Erregerkreises gerade zur Überwindung, des
magnetischen Spannungsabfalls in dem übrigen Teil des Kreises ausreichen, sind die Arbeitspunkte der Kerne,
auf welche die Wicklungen Al und Bi gewickelt sind,
nach +Φ$ verschoben, wohingegen diejenigen der
Kerne, auf welche A'i und B'i gewickelt sind, nach — Φα verschoben sind. Sämtliche Kerne des Magnetverstärkers
ÄS 1 sind folglich gesättigt. Da Al und Bl in
entgegengesetzten Richtungen gewickelt sind, sind die darin durch die Flußänderungen erzeugten Spannungen
gegenseitig aufgehoben und dasselbe gilt für die induzierten Spannungen in A'I und B'i.
Zwischen α=40° und α = 80° erzeugt der Übergang
der Ankerwicklung G13 vom unteren Nordpol einen
Impuls, der in den gegenwirkenden Wicklungen B i -B' 1
eine Flußänderung erzeugt, die die Verschiebung der
Arbeitspunkte der Kerne, auf welche Bl und B'I gewickelt sind, zu —Φα bzw. +Φ5 hin verursacht.
Infolgedessen wird der Kern von Bl (dieselbe Schlußfolgerung gilt jedoch auch für den Kern B' 1)
längs des ungesättigten Astes der Magnetisierungskennlinie in Fi g. 6 verschoben. Dies gilt unter der
Annähme, daß die Impedanz des Magnetverstärkers RSl auf dem ungesättigten Ast der Kennlinie von
F ig. 6 mit Bezug auf diejenige, die die Belastung Ll und Rl (F i g. 1) demselben Impuls darbieten, unendlich ist.
Diese Verschiebung ist in F i g. 3 durch das Diagramm Φ als eine Funktion des Winkels α gezeigt, der
seinerseits eine lineare Funktion der Zeit ist. Diese
Verschiebung ist bekanntlich Zeitpunkt für Zeitpunkt zuj
den durch den Magnetverstärker aufgenommenen Volt-Sekunden proportional, d. h. in einem geeigneten
Maßstab, zu dem Integral zwischen Ö° und <x° der
Funktion ei,2,3(a). '
Der Magnetverstärker ist so ausgelegt, daß die Flüßausänderung 2 $s zwar erreicht, jedoch nicht
überschritten wird, da jenseits dieses Wertes der Magnetverstärker negativ gesättigt würde, mit der
Folge einer unerwünschten Übertragung auf die Belastung der Erzeugüngsvoltsekunden, die der Magnetverstärkernicht
mehr auf nehmen kann.
Ausgehend von dem Zeitpunkt entsprechend a =180° stellt der negative Impuls, der durch den
Übergang der Ankerwicklung G12 vom unteren
Nordpol zum"oberen Südpol erzeugt wird, Φ ai in der
Nähe der positiven Sättigung wieder her, Usw.
In der Zwischenzeit, d.h. zwischen «=0° und
«=140° bleibt der Fluß ΦΑ\ des additiven Kerns
unverändert, da er durch die Summe der Steueramperewindungen und der Lastamperewindungen gesättigt
gehalten wird. ;
Gleiches gilt für die Bestimmung des Verlaufes der Spannungen und Flüsse in dem übrigen Teil der Periode
und für die Phasen 2 und 3, deren Spannungs- und Stromveriäufe im eingeschwungenen Zustand mit
denjenigen der Phase 1 selbstverständlich identisch;
jedoch um 120° bzw. 240° infolge der analogen Verschiebung in der Position der betreffenden Wicklungen
phasenverschoben sind, wie in F i g. 2 gezeigt.
Die Diagramme von Φαί und Φ βλ sind in F i g. 3 nicht
dargestellt, da sie leicht aus den Diagrammen von Φαί
bzw. ΦBi durch Drehung um die α-Achse erhalten
werden können. Dasselbe gilt für die anderen Phasen.
Durch Vergleichen der Flußkurven der Phasen 1 und 2 zwischen 40° und 80° stellt man fest, daß die
Flußänderung in der Wicklung Si die gleiche Richtung
(zum Ankermittelpunkt) aufweist wie die Flußänderung in der Wicklung Bi und daß die Flußänderung in der
Wicklung Bi der in der Wicklung B'2 entgegengesetzt
gerichtet ist.
Das bedeutet, daß der Kern von B'2 (der belastet ist,
d.h., der zu dem positiven Sättigungszustand hinstrebt) ein ungesättigter Schließungsweg sein kann, welcher
folglich eine niedrige Reluktanz für die Flußänderung im Kern von B1 (der unbelastet ist, d. h., der sich von dem
vorhergehenden positiven Sättigungszustand entfernt) durch die magnetische Brücke 3 hat, die sich zwischen
magnetischen Äquipotentialpunkten befindet und ebenfalls ungesättigt ist. In gleicher Weise ist ΔΦβ\ auf dem
B 2-Kern geschlossen.
Dieser Schließungsweg mit niedriger Reluktanz ist bevorzugt für ΔΦ mit Bezug auf denjenigen, der zu den
Induktorpolen durch den Luftspalt führt und folglich vermeidet, daß geradzahlige Oberwellen in der
Steüerwicklüng induziert werden können, die in diesem Fall die Induktorfeldwicklung selbst ist i /
Bezüglich der wichtigen Folgen dieser' Tatsachen
wird auf die Beschreibüngseinleitung hingewiesen.
.;.■/:"? ^Belastungsbetrieb (Fig. 4 und 5) /
Durch Vergrößern der Amperewindungen des
Induktors mit Bezug auf diejenigen, die zum Überwinden'
des magnetischen Spannungsabfalls in dem
Luftspalt Und in dem übrigen Teil des magnetischen Kreises erforderlich sind, werden Regulierungsamperewindungen
verfügbar, die (in der richtigen Weise vermehrt, um die Rückwirkungsder Ankerwicklung Gzu
berücksichtigen) gestatten, daß ein dazu proportionaler Belastungsstrom gemäß dem bekannten Gleichungsausdruck
für die Amperewindungen fließt, und zwar auf der Grundlage der vereinfachenden Annahmen, die in dem
5 oben genannten Aufsatz von H. F. S t ο r m beschrieben
sind. : :
In den Fig.4 und 5 ist der Verlauf der Flüsse,
Spannungen und Ströme jeweils für einen schnellen Übergang von dem Betrieb ohne Belastung zu dem
Betrieb mit verringertem Belastungsstrom (F i g. 4) und von letzterem zudem Vollastbetrieb (F i g. 5) gezeigt.
Die Diagramme der erzeugten Spannungen ei, ei, es
iri den Fi g; 4 und 5 sind mit denjenigen in Fi g. 3
identisch.
Die Flußdiagramme werden durch dieselben Kriterien, wie sie bereits in Verbindung mit F i g. 3 dargelegt
worden sind, bestimmt, ausgenommen, daß die Flußänderung statt zu der Funktion 6133 (α) zu dem Integral der
Funktion e\& («)- Vi.1,2,3 {«) proportional ist, da Vi.1,23
(«) der Anteil von :e\& ist, der durch die Belastung in
dem einem typischen Winkel Λ entsprechenden
Zeitpunkt aufgenommen wird. ;
Wie ersichtlich, hat der Strom in den beiden Phasen,
die gleichzeitig stromleitend sind, für einen Bruchteil der Stromleitungszeit entgegengesetzte Richtungen und in
der übrigen Zeit übereinstimmende Richtungen. Durch Vermehren der Steueramperewihdungen (und damit
des Laststroms) wird die Dauer der Stromleitung in entgegengesetzten Richtungen allmählich bis auf Null
verringert und die Stromleitung in übereinstimmender Richtung wird gleichzeitig und dementsprechend
vergrößert. · : ■·■■..':.:..'-. -..-.■ ,--..·■,-"■
Bekanntlich kann die Art der Leitung bzw. Stromleitung
mit Phasenströmen, die entgegengesetzte Richturigen haben, d.h. mit leitenden Phasen, von welchen
jeweils zwei von dem Laststrom nacheinander durchflossen
sind, verwendet werden, indem zwischen den Generatorausgang und die Belastung (z.B. die Erregerwicklung
einer elektrischen Synchronmaschine) eine herkömmliche Brückengleichrichter- bzw. Graetz-Schaltung
(7, Fig. 1) eingefügt wird;Damitauch die Art
der Leitung von Phasenströmen mit übereinstimmenden Richtungen, d. h. mit Phasen, von welchen jeweils zwei
parallel von dem Läststram durchflossen werden,
ausgenutzt Werden kann, ist es erforderlich, daß zu der Brückenschaltung zwei Dioden DA 1 und ipR2
hinzugefügt werden, die in der in Fig. 1 gezeigten
Weise angeschlossen sind. Es kann leicht gezeigt werden, daß das Hinzufügen dieser beiden Dioden
gestattet, die Stromgröße der Dioden der Brücke so
sehr zu verkleinern; daß (vorausgesetzt, daß mindestens
zwei parallele Dioden pro Zweig vorgesehen sind) der Raumbedarf und die Kosten des Gleichrichters in bezug
auf herkömmliche Gleichrichter nicht größer werden.
Die Dioden DR\ und DR2 haben zusätzlich eine
Rückführungs- und Schutzaufgabe.
Der Übergang von dem Betrieb mit Nullaststrom
(Fig. 3) zu dem Betrieb mit verringertem Laststrom in
F i g. 4 und von dem Betrieb in F i g. 4 zu dem Betrieb
mit Vollaststrom von F i g. 5 soll ausgeführt werden,
indem /c (in dem Diagramm nicht dargestellt) zwischen dem α=20° (elektrisch) entsprechenden Zeitpunkt und
"dem λ=40°; (elektrisch) entsprechenden Zeitpunkt ein
linearer Anstieg gegeben wird. ■·..,.;
In dem Idealfall, auf welchen sich die Diagramme beziehen, d. h. für einen magnetischen Werkstoff, der die
theoretische Magnetisierungskennlinie von F i g. 6 hat, folgt der Phasenstrom Iuaj ohne Verzögerung; den
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Änderungen der Steuerspannung und des Steuerstroms, da sie unter konstanten Flußbedingungen auftreten.
Die schraffierten Flächen in den Spannungsdiagrammen
in den F i g. 4 und 5 stellen vorübergehende
Überspannungen dar; die immer dann auftreten, wenn zwischen den Flüssen in den beiden Kernen eines
Magnetvertärkers bei Nichtaripassung ein Ungleichgewicht vorhanden ist. Das Vorhandensein der Dioden
DR1, DR 2 (F i g. 1) verhindert, daß diese Überspannungen
an die Belastung angelegt werden, vorausgesetzt, ι ο
daß sie nicht die Lastspannung ΑίΛ überschreiten.
Sollten sie einen derartigen Wert überschreiten
(beispielsweise zwischen 240° und 260° in F i g. 4), liegt
der Überschuß 8 nur vorübergehend an der Belastung
an. ·■■■:.. ■-■. '■■ :' ■ ■„. ..·.·. .;;:.... ■■". . :
Wenn die Ankerwicklung in offenen Nuten oder um
ausgeprägte Pole herum angeordnet ist, wie indem hier
dargestellten Ausführungsbeispiel, ist es zweckmäßig, die starken Oberwellen zu beseitigen, die in der
Erregerwicklung durch die periodische Änderung der Anzahl voneinander gegenüberliegender Pole induziert
werden. Das kann dadurch erreicht werden, daß die Erregerpolschuhe abgestuft werden, so daß jede
Verringerung des Querschnitts eines Pols, der die Hinterflanke des Pols verläßt, einer gleichen Zunahme
des Querschnitts entspricht, der gleichzeitig der Vorderflanke gegenüberliegt.
Wenn φ die Winkelverschiebung zwischen den
Flanken benachbarter Pole ist, gestattet eine Stufe von φ/2 in dem Polschuh eine zufriedenstellende Beseitigung
der Zahnpulsation.
Aus der vorhergehenden zusammenfassenden Beschreibung
des Betriebes des Generators werden die Gründe für seine hohe Ansprechgeschwindigkeit
deutlich. Vorausgesetzt, daß der verwendete magnetisehe Werkstoff ein Restinduktions-zu-Sättigungsinduktions-Verhältnis
nahe Eins hat, bleibt die erzeugte Spannung im Grunde genommen konstant, wenn die
Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom von Null bis zu dem maximalen Nennwert verändert werden; eine
solche Veränderung erfolgt mit einem beinahe konstanten Fluß und erfordert folglich eine sehr geringe
Leistung, was im folgenden noch näher beschrieben ist.
Ein plötzlicher Anstieg der Bezugsspannung bringt
den gegenwirkenden Kern jedes Magnetverstärkers in Sättigung und induziert folglich automatisch das
Anlegen der gesamten höchsten Erregerspannung an die Belastung, bis der gewünschte Ausgangsstrom
erreicht ist. Das erlaubt es, die Steuerschaltung gegenüber der bekannten Steuerschaltung zu vereinfachen,
wobei die Leistungsfähigkeit dieselbe ist, und ermöglicht Einsparungen.
Es ist außerdem klar, daß wegen der bekannten
Eigenschaften des Reihenmagnetverstärkers Fehlüberspannungen und -ströme begrenzt werden können. In
der Tat hat der Generator eine hohe Impedanz für jeden Stromüberfluß in bezug auf den durch das Amperewindungsgleichheitsgesetz
erlaubten und eine niedrige Impedanz für den Laststrom, und der Generator ist für
das Kurzschließen der Ausgangsklemmen fast unempfindlich.
Im Falle des Kurzschlusses einer Gleichrichterdiode ist der Stromanstieg, sowohl im Einschwingzustand wie ^
auch im eingeschwungenen Zustand in den anderen Dioden und in dem Generator, äußerst verringert und
kann deshalb bei dem Entwurf des Generators leicht derart berücksichtigt werden, daß die Kontinuität des
Betriebes unter den Bedingungen eines inneren Kurzschlusses sichergestellt ist. Das gestattet, die
teuren, mit umlaufenden Sicherungen in dem herkömmlichen bürstenlosen Erreger wegzulassen, woraus sich
ein wirtschaftlicher Vorteil nicht nur durch die Einsparungen in den Bauelementekosten, sondern auch
durch die Verringerung der rotierenden Massen und des axialen Raumbedarfs ergibt. Außerdem sind die
eingebauten Magnetverstärker auch ein aktiver Schutz für den Generator, und zwar ein Schutz, den das
bekannte System von mit umlaufenden Sicherungen des bürstenlosen Erregersystems nicht bieten kann. Dieser
Schutz ist sowohl vor als auch nach einem Diodenausfall vorhanden.
Es sei festgehalten, daß trotz des Vorhandensens einer doppelten Ankerwicklung die benötigte Kupfermenge
dadurch geringfügig über der einer einzelnen herkömmlichen Wicklung liegt, und zwar wegen der
geringeren Länge der Bündel- bzw. Wickelköpfe, die die konzentrierten Wicklungen erlauben.
Aus diesem Grund überschreitet infolge der hohen Ausnutzung des Eisens und der geringeren Ausladung
der Wickelköpfe der Raumbedarf der Maschine nicht den eines entsprechenden Wechselstromgenerators
herkömmlicher Bauart.
Die oben beschriebenen Merkmale treten umso mehr hervor, je besser der verwendete magnetische Werkstoff
ist, d. h., je geringer das Verhältnis zwischen der bei Vollast erzeugten Spannung Vo(4/4) und der bei
Nullaststrom erzeugten Spannung Vo(o/4) ist In F i g. 7 ist lediglich als ein Vorschlag der Verlauf der Spannung
ohne Belastung und des Ausgangsgleichstroms als Funktion des Eingangs- oder Feldstroms /<j(4) gemäß
der Erfindung für einen Werkstoff, der dem Ideal nahe genug kommt (isotropes Blech, welches 48% Nickel
enthält, Kurven Vb(I) und /t(4)) und für einen billigeren
Werkstoff (isotropes Blech mit 3% Silizium, Kurven V<{2) und /u(4)) dargestellt. Die oben angegebenen
Kurven beziehen sich auf Vorrichtungen, die gemäß der
Erfindung aufgebaut sind.
Zum Vergleich sind zusätzlich in demselben Diagramm die Kennlinien der Spannung Vo(3) ohne
Belastung und des Belastungsstroms /l(5) als eine
Funktion des Feld- oder Eingangsstroms /c(5) einer
herkömmlichen bürstenlosen Erregermaschine dargestellt' ■. . .'.; :.■■ - ■/ .. ■■.■·■.■ : .'■'·' '■■'":■ ■' ■"■
DieBereiche
die links von den betreffenden Kurven 1,2,3 schraffiert
sind, sind fast proportional zu der Änderung der Energie
des Magnetfeldes entsprechend der Stromänderung von 4/4 auf Null, und zwar in den drei Fällen, auf welche sich
die Kurven beziehen. Es ist zu beachten, daß sich eine beträchtliche Bereichs- bzw. Flächenverringerung in
den Kurven nach der Erfindung gegenüber (3) auch dann ergibt, wenn ein vergleichsweise billiger Werkstoff
(2) verwendet wird.
Die Konstanz des Feldflusses kann darüberhinaus die Verwendung von Feldpolen mit Permanentmagneten
oder mit supraleitenden Feldwicklungen gestatten, und zwar wegen des NichtVorhandenseins von Flußänderungen
und Pulsationen und folglich der dadurch in
dies'en Anwendungsfällen verursachten nachteiligen Auswirkungen (Entmagnetisierung bzw. Supraleitfähigkeitsverluste).
Es ist zwar nur eine einzige Ausführungsform der Erfindung beschrieben und in den Zeichnungen
dargestellt worden, im Rahmen der Erfindung bietet sich jedoch eine Vielzahl von Abwandlungs- und
Verbesserungsmöglichkeiten. Beispielsweise kann der Erregerteil sich statt außerhalb, wie hier gezeigt,
innerhalb des Ankers befinden; der rotierende Teil kann
entweder die Erregung oder der Anker sein; die Ankerwicklung kann auf einem gesonderten Kern, der
von dem die Glättungs- und Steurwicklungen tragenden verschieden ist, aufgebracht sein, statt auf demselben
Kern, wie hier gezeigt. Außerdem kann der Erregerfluß durch ein Ferraris-Drehmagnetfeld erzeugt werden,
welches durch einen dreiphasigen Induktor ähnlich dem einer Asynchronmaschine erzeugt wird, und, wenn dem
so ist, können sowohl der Induktor als auch der Anker feststehen.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Elektrischer Generator mit eingebauter Steuereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß
die Erregerpole (2) so geformt sind, daß der Erregerfluß gleichzeitig mindestens zwei benachbarte
Phasenwicklungen der als Doppelwicklung mit mindestens drei Phasen ausgebildeten Ankerwicklung
(G U-G13, G23-G21, G31-32), beeinflußt und
je eine Glättungs- und Steuerwicklung
(ÄX-Ä'\-B'\-B\-Ä2-Ä'2-B'2-B2,
A 3-A'3-B'3-B 3)
mit jeder Phasenwicklung in Reihe geschaltet und so angeordnet ist daß sie sowohl elektrisch als auch
räumlich eine Phasenvoreilung aufweist und die Schenkel dieser Wicklungen so dimensioniert sind,
daß sie durch den Erregerfluß periodisch gesättigt werden, wobei die auf diesen Schenkeln angeordneten
Wicklungen Durchflutungen erzeugen, die sich untereinander addieren, von denen jedoch mit
Bezug auf den Erregerfluß die eine additiv und die andere subtraktiv ist, und schließlich die sättigbaren
Kerne benachbarter Phasen durch Brücken (3) magnetisch miteinander gekoppelt sind, so daß sie
während der Sättigung gegenseitig parallel geschaltet sind. .'.■■;·■■
2. Elektrischer Generator mit eingebauter Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwicklung (G 12- G13, G 23-21,
G 31-32) auf ein weiteres Blechpaket aufgebracht ist, welches von dem Magnetpaket, auf welches die
Glättungs- und Steuerwicklung
(A\-A'\-B'\-B\,A2-A'2-B'2-B2,
A3-A'3-B'3-B3)
aufgebracht ist, getrennt und zu demselben koaxial ist.
3. Elektrischer Generator mit eingebauter Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das Erregerfeld ein Ferraris-Drehfeldist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerpolschuhe (2)
umfangsmäßig abgestuft sind und daß die Anzahl dieser Stufen zwischen Eins und unendlich liegt.
5. Elektrischer Generator mit eingebauter Steuereinrichtung nach Anspruch 1 in Verbindung mit
einer Diodengleichrichterschajtung zur Verbindung mit der Belastung, dadurch gekennzeichnet, daß
zusätzlich zur Geichrichterbrücke (7) zwei untereinander in Reihe und bezüglich der Belastung
parallelgeschaltete Dioden (DR\, DR2) vorgesehen
sind, deren Verbindungspunkt an den Mittelpunkt der in Stern geschalteten Ankerwicklung angeschlossen
ist.
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Generator mit eingebauter Steuereinrichtung. Solche
Generatoren können über einen Halbleiterdiodengleichrichter eine Gleichstromlast, beispielsweise die
Erregerwicklung einer Synchronmaschine, speisen.
Bekanntlich kann die Speisung der Erregerwicklung einer Synchronmaschine entweder durch eine ruhende
Thyristorerregervorrichtung oder durch eine rotierende bürstenlose Erregervorrichtung erfolgen, die beispielsweise
von einem Wechselstromgenerator mit einem rotierenden Anker und mit umlaufenden Dioden
gebildet wird. Die erste dieser Methoden hat den Vorteil, eine hohe Ansprechgeschwindigkeit und das
fast augenblickliche Erreichen der höchsten Erregerspannung und infolgedessen eine Verbesserung der
Stabilität zu gestatten, wohingegen die zweite Lösung den Vorteil der Schleif ringlosigkeit und Unabhängigkeit
der Erregerspannung von der Spannung der Hauptsynchronmaschine hat.
Dem erfindungsgemäßen Generator Hegt die Aufgabe zugrunde beim Speisen der Erregerwicklung einer
elektrischen Synchronmaschine die Vorteile einer ruhenden mit jenen einer rotierende Erregervorrichtung
zu vereinigen. ' ■
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß die Erregerpole so geformt sind, daß der
Erregerfluß gleichzeitig mindestens zwei benachbarte Phasenwicklungen der als Doppelwicklung mit mindestens
drei Phasen ausgebildeten Ankerwicklung beeinflußt und je eine Glättungs- und Steuerwicklung mit
jeder Phasenwicklung in Reihe geschaltet und so angeordnet ist, daß sie sowohl elektrisch als auch
räumlich eine Phasenvoreilung aufweist und die Schenkel dieser Wicklungen so dimensioniert sind, daß
sie durch den Erregerfluß periodisch gesättigt werden, wobei die auf diesen Schenkeln angeordneten Wicklungen
Durchflutungen erzeugen, die sich untereinander addieren, von denen jedoch mit Bezug auf den
Erregerfluß die eine additiv und die andere subtraktiv ist, und schließlich die sättigbaren Kerne benachbarter
Phasen durch Brücken magnetisch miteinander gekoppelt sind, so daß sie während der Sättigung gegenseitig
parallel geschaltet sind.
Mit dem elektrischen Generator nach der Erfindung
ergeben sich zusätzlich folgende Vorteile:
a) Selbstbegrenzung der inneren Fehlerströme, beispielsweise
infolge des Kurzschließens einer Diode, und demzufolge eine Schutzwirkung für die
unbeeinflußt gebliebenen Halbleiterdioden des Gleichrichters, der zwischen die Erregermaschine
und die Erregerwicklung der Hauptsynchronmaschine eingefügt ist, sowie für die Wicklungen der
Erregermaschine selbst. Diese Tatsache erlaubt, die mitrotierenden teueren Sicherungen, die normalerweise
in Reihe mit den Dioden vorgesehen sind, entweder teilweise oder vollständig wegzulassen,
wodurch auch die rotierenden Massen verringert werden, ohne daß die Betriebszuverlässigkeit
beeinträchtigt wird.
b) Selbstbegrenzung der Überströme, die infolge eines Kurzschlusses der Ausgangsklemmen der
Erregermaschine oder infolge entsprechender Bedingungen auftreten können, etwa solchen
Bedingungen, die durch plötzliche Änderungen in der Belastung der Hauptsynchronmaschine hervorgerufen
werden.
c) Selbstbegrenzung der Induktionsströme, die während des Asynchronbetriebs der Hauptsynchronmaschine
erzeugt werden (insbesondere, wenn diese als Motor arbeitet), und der entsprechenden,
an den Dioden anliegenden Überspannungen.
d) Ein Ausgangsstrom, der zu dem Eingangsstrom streng proportional ist.
e) Ansprechgeschwindigkeits- und Beschleunigungsmerkmale, die von Natur aus besser sind,
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
IT31806/72A IT970990B (it) | 1972-11-17 | 1972-11-17 | Dispositivo elettrico di genera zione e regolazione |
IT3180672 | 1972-11-17 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2357385A1 DE2357385A1 (de) | 1974-05-22 |
DE2357385B2 DE2357385B2 (de) | 1976-09-02 |
DE2357385C3 true DE2357385C3 (de) | 1978-01-12 |
Family
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