DE2357385C3 - Elektrischer Generator mit eingebauter Steuereinrichtung - Google Patents

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

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durch eine Ankerwicklung G12-G13, G23-G21, G31-G32und durch eine Glättüngs- und Steuerwicklung:. --■·-■ r-_:;-V ^: ■'■.'■-' ·■,-.■ ;■:■:. ^V. ".V / ■ :

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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.

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 > \ ...... , ;

Α^γΙ-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 zu^j 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 Φ_Α\ 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)

Patentansprüche:

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,