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Konstantspannungs-Asynchrongenerator
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Die Erfindung betrifft das verbesserte Spannungsverhalten, bzw. die
Erhaltung einer konstanten Ausgangsspannung, bei dem ein- und dreiphasigen kondensatorerregten
Asynchrongenerator mit veränderbarem magnetischen Widerstand des Magnetkreises des
Ständerblechpakets, mit dem Anschluß eines mit steuerbaren Halbleitern ausgestatteten
Spannungsreglers.
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Diese Erfindung garantiert die Erzeugung von elektrischer Energie
in einem Toleranzfeld von + 0,5 °Ó der statischen Nennspannung unter folgenden Bedingungen:
Vom Leerlauf bis zur Nennlast; cos phi 0,8 bis 1,0; bei kalter und warmer Maschine;
bei einer Drehzahlveränderung von + 15 . Bei plötzlichen Belastungsstößen wird ein
gutes dynamisches Spannungsverhalten erreicht.
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Auf dem Fertigungsgebiet hat sich lange Zeit nur der Synchrongenerator,
mit bzw. ohne Bürsten, bewährt, der mit elektronischem Spannungsregler ausgerüstet
war. Der Asynchrongenerator wird gewöhnlich in Parallelbetrieb zum öffentlichen
Netz betrieben. Für Inselbetrieb benötigen Asynchrongeneratoren Kondensatoren, um
die Blindleistung zu sichern.
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Dank rascher fertigungstechnischer Entwicklung werden die Kondensatoren
und elektrischen Bauelemente immer günstiger. Parallel hierzu wird auch die Entwicklung
und
Fertigung von Asynchrongeneratoren immer wirtschaftlicher.
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Die früheren Entwicklungen von Asynchrongeneratoren basieren auf der
Verwendung geschlossener Asynchron-Normmotoren. Diese Generatoren gewährleisten
eine statische Nennspannungstoleranz von + 5 t3Ó unter Nennlast bei: cos phi = 0,8-1,0;
kalter und warmer Maschine; einer konstanten Nenndrehzahl (n=konst.). In Abhängigkeit
von der Antriebsart addiert sich die Drehzahlveränderung von +3,5,'0 mit der Spannungsabweichung.
Die Ausgangsspannungstoleranz kann dann einen Wert von + 10 tMO erreichen.
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Erste Asynchrongeneratoren dieser Art, mit der Schutzart IP 44, kommen
von den Firmen: KIRSCH GmbH, TRIER- BIWER, SEVER, Subotica /JUGOSLAWIEN.
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Um die Ausgangsspannung in engen Toleranzen zu halten, gibt es verschiedene
Varianten von Asynchrongeneratoren: - Die Ausführung mit Variokondensatoren (Sowjetunion).
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- Mit Verwendung der Sättigungsdrossel (Siemens).
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- Mit Anordnung zur Verbesserung des Spannungsverhaltens eines mittels
eines in seinem Drehzahlverhalten beeinflußbaren Aggregats angetriebenen Asynchrongenerators.
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Deutsches Patentamt - Offenlegungsschrift 302/830 Al -1980 von G.
Gerald.
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- Nach einem Vorschlag von J. Casel, H. Knitterscheid: "Asynchrongeneratoren
für Stromerzeugungs-Aggregate und Netzersatzanlagen der Zukunft (I, II)", wird das
Ständerblechpaket des Asynchrongenerators in zwei Teil-Blechpakete aufgespalten.
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- Der Vorschlag aus Jugoslawien in der Zeitschrift "ELEKTROTEHNIKA"
von 1979 ist eine Lösung mit dem Titel "Asinhroni generatori kao samostalni izvori
elektriCne energije" von kondensatorerregten Asynchron-
generatoren
mit einer gleichstromdurchflossenen Regelringwicklung zur Erzeugung eines magnetischen
Gleichflusses im Ständerblechpaket von I. KINCSES, J. VARGA.
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Das ähnliche Prinzip erscheint im Mai 1984 in der Offenlegungsschrift
DE 3316833 Al von H. O. SEINSCH.
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Die bisher veröffentlichten Lösungen garantieren keine Stromerzeugung
mit einer Nennspannungstoleranz von + 0,5 °ç. Diese Nennspannungstoleranz wird bis
heute nur unter Verwendung von Synchrongeneratoren erreicht. Das Problem mit den
Spannungsspitzen (Fig. 6), als Folge einer Phasenschnittsteuerung, ist in diesen
bisher bekannten Fällen nicht gelöst.
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Ein Nachteil bei in Reihe geschalteten Teilwicklungen (H. O. SEINSCH,
DE 3316833) ist, daß bei der Ringwicklung Windungsschlüsse entstehen können.
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Bei der Erfindung des Konstantspannungs-Asynchrongenerators war die
wichtigste Aufgabenstellung die Anordnung von Spannungsreglern mit steuerbaren Halbleitern
zur Ausgangsseannungsregulierung. Diese Steuerung ermöglicht eine sinusförmige Ausgangsspannung
ohne Spannungsspitzen mit einem Toleranzfeld von t 0,5 °Ó. Es besteht die Möglichkeit,
Konstantspannungs-Asynchrongeneratoren mit Bündel-Regelwicklung in Schutzart IP
44 auszuführen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß der Spannungsregler
4 mit den Hauptwicklungen 2 und mit der Bündel-Regelwicklung 3 verbunden. Um die
Spannungsregler speichern zu können, werden die Anschlüsse wie folgt ausgeführt:
Bei den Drehstromgeneratoren wird der Spannungsregler an zwei innere Stellen von
zwei Hauptwicklungen angeschlossen. Die verbleibenden Windungen bis zu den Ausgangsklemmen
werden als Drossel verwendet, um die von steuerbaren
Halbleitern
- meistens Thyristoren - erzeugten Überspannungen zu löschen.
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Die Bestimmung der Anschlußstelle ist von mehreren Faktoren abhängig.
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Bei einphasigen Konstantspannungs-Asynchrongeneratoren werden die
Anschlußstellen auf experimentelle Weise festgelegt.
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Bei dreiphasigen Generatoren nach Figur 7 erreicht man das beste Ergebnis
durch Anlegung der Spannungsregler in der Mitte zweier Phasen-Wicklungen, z.B. an
R und S. Entsprechend dieser Spannungsgröße werden Spannungsregler eingesetzt, z.B.
mit Nennspannung 220 Vs.
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Der erreichte Zustand durch diese Anzapfungen ergibt eine sinusförmige
Ausgangsspannung ohne Spannungsspitzen.
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Die Ausgangsgleichspannung wird ohne Glättung an die Bündel-Regelwicklung
3 angeschlossen.
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Figur 3 zeigt das Blockschaltbild eines Spannungsreglers, der auf
der Basis einer halbgesteuerten Zwei-Puls-Brückenschaltung mit Thyristoren arbeitet.
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Die Ausgangsspannungsveränderung wird mittels Gleichrichter (Converter)
10 kontrolliert. Der gewünschte Sollwert wird mit einem Potentiometer 5 eingestellt.
Der Spannungs-Ist-Wert aus dem Gleichrichter 10 wird mittels der Z-Diode 11 mit
dem Soll-Wert vom Potentiometer 5 mit der Hilfe des Regelverstärkers 6 verglichen.
Der Regelverstärker 6 vergleicht die beiden Spannungen und formt eine Ausgangsspannung
für die Zündimpulsverschiebung im Impulserzeuger 8. Der Regelverstärker 9 dient
nur der Vorzeichenänderung (t).
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Der an den Regelverstärker 6 angeschlossene, veränderliche Widerstand
und der Kondensator sorgen für eine hohe Dynamik des Regelsystems bei plötzlichen
Belastungsänderungen.
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Zur Erzielung einer entsprechenden statischen Toleranzgenauigkeit
der Nennspannung ist es wichtig, daß die Eingangsstellen 41 und 42 des Regelverstärkers
6 im Spannungspotential gleich werden. Um eine größere Regelempfindlichkeit zu erreichen,
ist in Rückkopplung eine Z-Diode in Reihe angeschlossen.
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Das Spannungsniveau der Z-Dioden wird so ausgewählt, daß die Spannungsgleichheit
bei den Eingangsstellen 41 und 42 nicht verändert wird.
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Die Außencharakteristik U=f(P) des Konstantspannungs-Asynchrongenerators
ist in Figur 8 dargestellt.
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Um eine konstante Nennspannung U beim Leerlauf und nenn kleineren
Belastungen zu erhalten, wird für die Bündel-Regelwicklung 3 der größte Strombedarf
benötigt.
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Bei Belastungsvergößerung wird der Strom in der Bündel-Regelwicklung
bis zum Wert 0 vermindert, bzw. bis zum Schnittpunkt, wo die Außencharakteristik
die Soll-Wert-Gerade U nenn schneidet.
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Die Ausgangsspannungsvergrößerung verursacht eine Regelstomverstärkung.
Eine Ausgangsspannungsverminderung wiederum verursacht eine Stromschwächung in der
Bündel-Regelwicklung 3.
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Der Ausgangsspannungs-Ist-Wert wird aus den zwei Phasen-Wicklungen,
Figur 2 und 7, genommen. Wird nur eine Phase
mit der Nennlast belastet,
ist die Abweichung des Mittelwertes der Ausgangsspannung nach VDE 0530 nicht größer
als 3 °Ó. Dieses qualitative Verhalten des Konstantspannungs-Asynchrongenerators
gegenüber unsymmetrischen Belastungen ist eine Nachwirkung des homogenen magnetischen
Kreises auf dem Ständerumfang.
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Die Ausführung des Konstantspannungs-Asynchrongenerators mit Bündel-Regelwicklung
3 ist identisch mit der Ausführung der Asynchronmotoren der Schutzart IP 23. Die
Bauelemente von diesen Motoren können verwendet werden.
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Die Konstantspannungs-Asynchrongeneratoren in Schutzarten IP 23 und
IP 44 nach Figur 4 und 5 können für die Unterbringung der Bündel-Regelwicklung 3
verwendet werden.
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Nach Figur 4 ist die Bündel-Regelwicklung 3 in den dafür vorgesehenen
Öffnungen 13 auf dem Ständerumfang 12 eingelegt Nach Figur 5 ist die Bündel-Regelwicklung
3 in den dafür vorgesehenen Öffnungen 15 des Gehäuse-Passungsumfangs 14 eingelegt.
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Die Regelwicklung 3 ist als mehrphasige in Reihe geschaltete Bündel-Ringwicklung
ausgeführt. Der Regelstrom im Ständerjoch bewirkt einen zusätzlichen magnetischen
Fluß, der die Hauptwicklung und die Läuferkäfigwicklung umgeht.
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Das Ständerjoch wird vom größeren Wert des Gleichstroms mehr, vom
kleineren Wert weniger gesättigt.
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Nach dem Betreiben des Generators mit einer Drehzahl, die in der Nähe
der Nenndrehzahl liegt, wird im Ständer-
blechpaket ein Drehfeld
aufgebaut. Dieses fließt ebenfalls durch das Ständerjoch.
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Ein größerer Regel strom verursacht einen größeren Fluß und damit
einen größeren magnetischen Widerstand und umgekehrt. Der Fluß ist dem Drehfeld
entgegengesetzt.
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Die Höhe der Leerlaufspannung des kondensatorerregten Asynchrongenerators
ist durch den Schnittpunkt zweier Kurven festgelegt.
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Die eine Kurve ist die Leerlauf-Außencharakteristik der Maschine im
motorischen Betrieb U=f(J), die andere Kurve entspricht der Charakteristik der Kondensator-Geraden
U=J Xc.
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Die Reaktanze der Kondensatoreinheit 1 ist in dieser Gleichung mit
Xc benannt.
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Der größere Regelstrom vermindert die Ausgangsspannung des Generators,
bzw. der kleinere Regelstrom vergrößert sie. Dieser Vorgang ist durch einen elektronischen
Spannungsregler 4 automatisiert.
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Figur 9 stellt das Prinzipschema der Ständerwicklung des Konstantspannungs-Asynchrongenerator
dar.
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Der Wickelprozeß beginnt mit der Fertigung der Bündel-Regelwicklung
3. Diese Wicklung, gleichmäßig in allen Nuten eingelegt, nimmt 10-20 {°Ó des gesamten
Nutenvolumens ein. Das Rest-Nutenvolumen, 80-90 80, nimmt die Hauptwicklung 2 ein.
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Die physikalischen Größen des Spannungsreglers 4 sind durch die Größe
des Regelstom festgelegt. Die Größe des Regelstroms kann durch die Vergrößerung
der Regelspannung und durch die Vergrößerung der Bündel-Regelwicklungwindungen vermindert
werden.
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In diesem Sinne kann die Regelwicklung-Windungszahl pro Nut 5 bis
20 mal größer als die Hauptwicklung-Windungszahl pro Nut sein.
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Das im Ständerblechpaket bestehende Dreh-Induktionsfeld induziert
deshalb eine 5 bis 20 mal größere Spannung in den Windungsstrang der Bündel-Regelwicklung
3 als in einen Windungsstrang der Hauptwicklung 2. Dies kann zu großen Potentialunterschieden
zwischen einzelnen Leitungen innerhalb einer Nut führen. Diese unerwünschten Potentialunterschiede
führen zu Windungsschlüssen.
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Die Ausführung der Bündel-Regelwicklung 3 mit großer Windungszahl
wäre nur mit technologischen Schwierigkeiten möglich.
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Die oben genannten Schwierigkeiten werden mittels einer mehrphasig
in Reihe geschalteten Bündel-Regelwicklung 3, nach Erfindung, auf folgende Weise
gelöst: - Mit dem Formen eines Bündels von n Leitungen, damit die Anzahl der notwendigen
Einlegungen in die Nuten und das Durchziehen durch die Lüftungskanäle auf ein Minimum
reduziert wird.
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- Die Anzahl W B der umwickelten Bündel-Wicklungen der Regelwicklung
3 ist pro Nut kleiner oder gleich der Hauptwicklung-Windungszahl pro Nut. Somit
wird das gleiche Isolierungsniveau für Haupt- und Bündel-Regelwicklung erreicht.
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- Die große Anzahl der Windungen pro Nut wird durch das Verbinden
der Endungen der Bündel-Sektionen erreicht.
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Die einzelnen Endungen der Bündel-Sektionen werden getrennt, Leitung
zu Leitung, miteinander galvanisch
verbunden (41). Die Verbindungen
sind isoliert.
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Die beschriebene Ausführung verursacht die gleiche Wirkung, als wenn
das Joch mit einer Leitung, jedoch n-mal vergrößerte Windung, umwickelt wäre.
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Die gesamte Windungszahl pro Nut beträgt dann: NUT n WB - In eine
Nut werden mehrere Bündel-Windungen verlegt.
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Diese Bündel-Windungen in mehreren Nuten entsprechen einer Sektion
(Sektionen werden nach Figur 9 mit 1B bis 128 gekennzeichnet).
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Die auf dem Ständerumfang 12 symmetrisch verteilten Sektionen der
Bündel-Regelwicklung 3 sind voneinander um den Pol-Schritt entfernt. Mit dem gleichen
Pol-Schritt ist die Hauptwicklung 2 ausgeführt. Die verbundenen Sektionen (1B, 48,
78, 10B) entsprechen einer Phasen-Regelwicklung. Diese Sektionen-Anordnung garantiert,
daß die induzierte Spannung auf den Ausgangsklemmen der Regelwicklung 3 ein Minimum
wird. Die in die Sektionen induzierten Spannungen sind von entgegengesetzten Vorzeichen.
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Um die unerwünschte Durchbruch-Gleichstromspannung (bei Dreiphasigen-Wicklungen)
zu vermeiden, werden mehrere Phasen-Regel-Wicklungen benutzt.
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Die Größe der Durchbruch-Spannung zwischen zwei Windungen beträgt
im theoretisch ungünstigsten Fall:
m definiert die Phasenzahl.
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Die Fertigung der Bündel-Regelwicklung 3 - mit der Pol-
paarzahl
p für die Nutenanzahl N - beginnt mit der Herstellung der Sektionen.
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Die Anzahl q der Nuten, die eine Sektion bei m-Phasiger-Regelwicklung
bildet, wird errechnet: N 9 2pm Gleichungsvoraussetzung: q ganzzahlig.
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Im Spezialfall q=l: Phasenzahl m gleich Nutenzahl pro Pol.
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Die Gesamtanzahl der Sektionen wird errechnet mit der Gleichung: K=N,
m 2 p q Die Sektionen werden wie folgt gefertigt: Zuerst wird ein Bündel von n (zum
Beispiel n=10) Leitungen vorbereitet. Die Länge des Bündels muß für eine Sektion
ausreichend sein. Das Bündel wird in Nuten eingelegt und durchzieht die Lüftungskanäle.
Der Bündelteil durch die Lüftungskanäle wird mittels Bougierröhren isoliert.
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Die Bündel-Windungszahl pro Nut (gewöhnlich kleiner als 4) wird mit
W8 bezeichnet. Nach dem Erreichen der Bündel-Windungszahl in eine Nut werden die
weiteren Nuten umwickelt, bis eine Sektion ausgebildet ist. Dieses Verfahren wird
fortgesetzt, bis alle Sektionen der Bündel-Regelwicklung 3 fertiggestellt sind.
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Die Sektionen bestehen, da sie aus n Bündel-Leitungen ausgebildet
sind, aus n Anfängen und n Endungen.
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Durch die Verbindungen (41) der Sektionen werden die
Phasen-Regel-Windungen
wie folgt gebildet (Figur 9): Die Endungen von der ersten Sektion (1B) werden, von
Leitung zu Leitung, mit den Windungsanfängen der zweiten Sektion (28) verbunden
und die Windungsendungen der zweiten Sektion (48) mit den Windungsanfängen der dritten
Sektion (7B) usw. Die Anzahl der verbundenen Sektionen muß 2p sein.
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Diese Phasenwicklung (1B, 48, 78, 10B) hat n Windungsanfänge (51)
und n Windungsendungen (61). Die Verbindung von (511 und(6 wird mittels einer Signallampe
ermittelt.
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Mittels dieser Lampe wird das Ende der ersten Leitung ausgesucht,
Dieses Ende (in Sektion lOB) wird mit dem Anfang von der zweiten Leitung (in Sektion
1B) verbunden. Ebenso das Ende der zweiten Leitung mit dem Anfang der dritten, usw.
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Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis die Phasen-Regel-Wicklung (18,
48, 7B, 10B) einen eindrahtigen Anfang (31) und eine eindrahtige Endung (32) hat.
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Auf gleiche Weise sind die anderen Sektionen zu verbinden, so daß
sie gleichfalls Phasen-Wicklungen bilden. So entstehen in diesem Beispiel drei Phasen-Wicklungen
mit 3x2 Anschlüssen. Die Phasen-Wicklungen (in Beispiel 3) werden in Reihe, Ende
mit Anfang, galvanisch verbunden.
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So entsteht eine Mehrphasige-Bündel-Regelwicklung 3.
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Diese Mehrphasige-Regelwicklung 3 eliminiert alle Nachteile, die die
klassische Ringwicklung unbrauchbar macht.
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Ist die Bündel-Regelwicklung 3 nach obiger Beschreibung festgestellt,
wird die Hauptwicklung 2 eingelegt. Die Hauptwicklung ist im Beispiel für den vierpoligen
Dreh-
stromgenerator mit 24 Nuten ausgeführt.
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Durch Figur 10 wird sichtbar, daß die Drehstrom-Hauptwicklung 2 des
Generators in Sternschaltung ausgeführt ist und entspricht einer üblichen Zweischichtwicklung.
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Zusätzlich sind zwischen den Sektionen der Phasenwicklung R (4H, 7H)
und der Phasenwicklung S (6H, 9H), um den Spannungsregler 4 zu speisen, die Anzapfungen
21,22 notwendig.
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Durch die Durchfluttungsverteilung der Phasen erscheinen bei Ein-
oder Dreiphasigen-Generatoren die Raumwellen.
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Diese Raumwellen sind Oberwellen ungerader Reihenfolge: = = 1, 3,
5, 7, 9, ... (2z+l) Gleichungsbedingung: z ganzzahlig Um eine sinusförmige Ausgangsspannung
zu erreichen, wird die dritte Oberwelle - die eine Folge von der Ständerjochsättigung
bzw. des Gleichstromdurchflusses durch die Bündel-Regelwicklung 3 ist - mit der
Reihenzahl 3 (=3) eliminiert.
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Bei der dreiphasigen Zweischichtwicklung wird durch die Auswahl des
Wicklungsschrittes die Auswirkung der dritten Oberwelle eliminiert. Hierzu muß folgende
Bedingung erfüllt sein: y = 2/3 t y bedeutet Wicklungsschritt gbedeutet Pol-Schritt
Durch diesen Eingriff wird in allen Fällen eine sinusförmige Ausgangsspannung mit
einem Klirrfaktor kleiner als 5 S erreicht.
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Die Vorteile gemäß der Erfindung sind vielfältig. Der Konstantspannungs-Asynchrongenerator
mit Bündel-Regelwicklung und mit statischer Spannungs-Toleranz unter t 0,5 S der
Nennspannung, kann als vollautomatischer Inselbetrieb unter folgenden Bedingungen
arbeiten: Leerlauf bis Nennlast: cos phi = 0,8-1,0; Drehzahlveränderung von t 15
OD.
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Mit dem Potentiometer 5 nach Figur 3 wird das gewünschte Spannungsniveau
in der Grenze von + 10 °Ó der Nennspannung U nenn eingestellt.
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nenn Ein Vorteil des Reglers ist, daß die transienten Arbeitsbedingungen
von Thyristoren keine Rückwirkungen an der Ausgangsspannung zulassen. Damit wird
die Voraussetzung zu VDE 0530 erfüllt, bzw. die Spannungsquelle bleibt sinusförmig,
der Klirrfaktor k kleiner als 5 °Ó.
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Auch eine Ausführungsmöglichkeit des Konstantspannungs-Asynchrongenerator
in Schutzart IP 44 ist von Vorteil.
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Ein besonderer Stellenwert kann der Konstantspannungs-Asynchrongenerator
beim Bau kleinerer Wasserkraftwerke mit Leistungen bis 300 kVA haben. In diesen
Kraftwerken können die Konstantspannungs-Asynchrongeneratoren parallel mit dem öffentlichen
Netz arbeiten. Im Notfall können sie jetzt auch im Inselbetrieb benützt werden.
Die Synchronisierung mit dem öffentlichen Netz beansprucht keine Sonderanlage wie
bei den Synchrongeneratoren. Ohne besondere Gefahr kann der Konstantspannungs-Asynchrongenerator
mit zweifacher Antriebsdrehzahl (2 x nnenn) betrieben werden.
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Für kleinere Konstantspannungs-Asynchrongeneratoren beträgt die Regelleistung
5 °Ó von der Nennleistung bzw.
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bei größeren Generatoren beträgt dieser Wert 1,5 °o.
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Der Spannungsregler hat kleine Ausmaße. Deshalb besteht eine Einbaumöglichkeit
in dem vergrößerten Klemmkasten des Generators, oder mit dem Kondensator zusammen
in dem Schaltschrank.
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Als Spannungsregler - nach Blockschaltbild Figur 3, ohne wesentliche
Veränderungen - verwendet man die Stromrichterseriengeräte, vorgesehen für Gleichstromantriebe.
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Der Konstantspannungs-Asynchrongenerator ist aus einem innengekühlten,
vierpoligen Drehstromnormmotor, Schutzart IP 23, gefertigt. Nach IEC Vorschriften
beträgt die Achsenhöhe 160 mm, die Leistung 11 kW. Versehen mit einer Regelwicklung
leistet er als Generator etwa 10 kVA bei cos phi = 0,8; 3 x 380V; 50 Hz; kondensatorerregt
mit einer Leistung von 10 kVAr. Als Spannungsregler wird ein Seriengerät Typ MICROSEMI
220/4.2 - 4A von AEG verwendet.
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