-
Einrichtung zum Regeln der Spannung elektrischer Generatoren Gegenstand
er Erfindung ist eine Regeleinrichtung, um die Spannung von elektrischen Generatoren
im wesentlichen konstant zu halten. Die Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß
sie keine beweglichen Teile, insbesondere keine beweglichen Schaltstücke, hat und
daß sie nicht pendelt. Sie spricht schnell an und erlaubt, den Generator beliebig
über- oder unterzukompoundieren. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß
der Feldstrom :des Generators oder seiner Erregermaschine entsprechend der Generatorspannung,
dem Generatorstrom und gegebenenfalls dem Leistungsfaktor geregelt wird. Dazu wird
eine dreischenklige Drosselspule verwendet, die einerseits von konstantem Wechselstrom
und andererseits, gegebenenfalls über Transformatoren, von Gleichrichtern entsprechend
Spannung, Strom und Leistungsfaktor erregt wird, so daß die Reaktanz der Drosselspule
entsprechend beeinflußt wird. Die Änderung der Reaktanz wird zur Änderung des Feldstromes
des Generators oder seiner Erregermaschine und damit zur Konstanthaltung der Generatorspannung
nutzbar gemacht.
-
In den Abbildungen sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. Abb. r zeigt einen Gleichstromgenerator r, der von einer beliebigen
Antriebsmaschine :2 angetrieben wird und das Netz 3, q. speist. Eine dreischenklige
Drosselspule 5 ist mit einer gleichmäßig auf :die beiden Hälften des Eisenkerns
verteilten Wicklung 6 versehen, die über einen Regelwiderstand 8 und einen Gleichrichter
to beliebiger Art von einer Wechselstromquelle 7 konstanter Spannung gespeist wind.
Der vom Gleichrichter zo abgegebene Gleichstrom wird der Feldwicklung II des Generators
r über eine Wicklung 12 auf dem mittleren Schenkel der Drosselspule 5 zugeführt.
Auf diesem Schenkel sind noch die Wicklungen 1q. und 15 angeordnet. Die Wicklung
14 ist entsprechend der Generatorspannung, die Wicklung 15 entsprechend der
Generatorbelastung erregt, da sie an die Klemmen eines Abzweigwiderstandes 16 in
der Netzleitung q. angeschlossen ist.
-
Die Wirkung der beschriebenen Anordnung beruht darauf, daß die Überlagerung
eines Gleichstromflusses auf einen Wechselstromfluß eines magnetischen Kreises die
effektive Reaktanz der den Wechselstroinfluß induzierenden Wicklung vermindert.
Da die Wicklung 6 auf die äußeren Schenkel .der Drosselspule 5 gleichmäßig verteilt
ist, so besteht im mittleren Schenkel der Drosselspule kein Wechselstromfluß. Die
Wicklung 6 hat eine
hohe Selbstinduktion, die aber durch die Überlagerung
des von den Wicklungen 12, 14 und 15 induzierten Gleichstromflusses vermindert wird.
-
Die Anordnung wirkt in folgender Weise: Wenn der Generator i stillsteht,
so fließt aus der Wechselstromquelle 7 nur ein schwacher Strom durch den Gleichrichter,
weil die Impedanz der Wicklung 6 hoch ist, da die Wicklungen 14 und 15 nicht erregt
sind. Es fließt dementsprechend auch nur ein schwacher Strom in der Feldwicklung
i i des Generators. Wird dieser nun angelassen und damit dem Netz 3, 4 eine Spannung
aufgedrückt, so wird die Wicklung 14 erregt, die, wie durch Pfeile angedeutet, der
Wicklung 12 entgegenwirkt. Die Wirkung der Wicklung 12 ist während des Anwachsens
der Generatorspannung stärker als die Wirkung der Wicklung 14. Je mehr die Spannung
anwächst, vermindert der Gleichstromfluß im mittleren Schenkel der Drosselspule
die Recktanz der Wicklung 6 und somit wächst der Strom, der der Wicklung 6 aus der
Wechselstromquelle zugeführt wird, an. Damit steigt aber auch :der Strom in der
Feldwicklung ii bis zu seinem normalen Wert.
-
Wenn bei Abnahme der Belastung die Generatorspannung steigt, so steigt
der Strom in der Wicklung 14. Die Recktanz der Wicklung 6 wird dadurch vergrößert,
und der Feldstrom- des Generators nimmt ab und führt eine Verminderung der GeneratO-rspannung
herbei.
-
Bei Belastungsanstieg und Abfall der Spannung wird die Recktanz der
Wicklung 6 vermindert und .damit der Feldstrom des Generators i -verstärkt, bis
die normale Spannung wieder erreicht ist.
-
Durch die im Nebenschluß zum Widerstand 16 liegende Wicklung 15 kann
eine Über- oder Unterkompoundierung .des Generators erzielt werden, je nachdem ob
die Wicklung 15 die Wirkung der Wicklung 12 unterstützt oder schwächt. Verstärkt
sie diese Wirkung, so nimmt bei wachsender Belastung die Recktanz der Wicklung 6
ab, weil der Gleichstromfluß den Kern der Spule sättigt. Das Generatorfeld wird
verstärkt, und die Generatorspannung steigt an. Ist dagegen die Wicklung 15 der
Wicklung 12 entgegengeschaltet, so bringt eine Erhöhung des Generatorstromes eine
Vergrößerung der Recktanz der Wicklüng 6 hervor. Damit sinken Feldstrom und Generatorspannung.
-
Der Grad der Über- oder Unterkompoundierung kann durch Bemessung,der
Wicklung 15 und des Widerstandes 16 beliebig gewählt «erden.
-
Bei der Anordnung nach Abb.2 ist ein Drehstromgenerator ioo angenommen,
der das Netz 17, i8, ig speist. Die Wicklung 6 .der Drosselspule 5 ist an die Netzspannung
18, ig angeschlossen, kann aber auch, wie in Abb. i, von einer besonderen konstanten
Wechselstromquelle gespeist werden. Die Wicklung 14 wird von einem Gleichrichter
2o gespeist, der wechselstromseitig an die Netzleitungen 18, ig angeschlossen ist.
Der Gleichrichter 21 ist wechselstromseitig an die Sekundärspule 22 eines Stromwandlers
angeschlossen und speist gleichstromseitig die . Spule 15. Die Spule 15 wird also
entsprechend der Netzbelastung erregt.
-
Die Wirkungsweise der Anordnung ist dieselbe wie bei der Anordnung
nach Abb. i.
-
'In Abb. 3 ist ebenfalls ein Drehstromgenerator ioo angenommen, der
auf ein Netz 17, 18, i9 arbeitet. Alts konstante Wechselstromquelle für die Speisung
der Wech.selstromwicklung auf der dreischenkligen Drosselspule 36 dient die Sekundärwicklung
des Transformators 30, dessen Primärwicklung an die Netzleitungen 18, ig angeschlossen
ist. Die Primärwicklung könnte aber auch aus einer anderen Wechselstromquelle gespeist
werden. In Reihe mit der Sekundärwicklung des Transformator 30 sind die Gleichrichter
31 und 32 geschaltet. Der Gleichrichter 31 liefert Gleichstrom für die Feldwicklung
33 der Erregermaschine 34 des Drehstromgenerators ioo und liegt wechselstromseitig
parallel zur Wicklung 35 der Drosselspule 36. Der Ankerstrom der Erregermaschine
34 wird der rotierenden Feldwicklung des Generators ioo über Schleifringe 37 zugeführt.
-
Die wirksame Recktanz der Drosselspule 36 wird durch die Gleichstromwicklungen
38 bis 41 auf dem -mittleren Schenkel der Drossel beeinflußt.
-
Die Wicklung 38 wird über einen Gleichrichter 42 und einen Stromwandler
43 entsprechend der Belastung des Generators ioo gespeist. Die Wicklung
39 liegt in Reihe mit der Erregerwicklung des Generators ioo an der Erregermaschine
34. Die Wicklung 4o ist mittelbar an-die Spannung des Netzes 18, ig angeschlossen.
An der Gleichstromseite des Gleichrichters 32 liegt die Wicklung 41. Die Richtungen
der magnetomotorischen Kräfte der vier Wicklungen sind durch Pfeile angedeutet.
-
Um -die Wicklung 4o in Abhängigkeit von der Netzspannung zu erregen,
ist folgende Anordnung getroffen: Von den Sekundärwicklungen zweier an das Netz
18, ig angeschlossener Transformatoren 46 und 47 werden die Gleichrichter 44. und
45 gespeist. 'Die Primärwicklung des Transformators 46 liegt in Reihe mit der Drosselspule
5o, die des Transformators 47 in
Reihe mit dem Widerstand 51. Zwei
in Reihe liegende gleiche Widerstände 48 und 49 sind an den Punkt 461 der Sekundärwicklung
des Transformators 46 und an den Gleichrichter 45 angeschlossen. Die Gleichstromwicklung
4o ist an den Verbindungspunkt 48i der Widerstände 48, 49 und an den Punkt 471 der
Sekundärwicklung des Transformators47 und an .den Gleichrichter 44 angeschlossen.
-
Die Drosselspule 5o und der Widerstand 51 sind so bemessen, @daß in
ihnen gleiche Ströme J fließen, wenn die Generatorspannung E normal ist (vgl. die
Charakteristiken in Abb.4). Dann sind die Gleichstromspannungen .der Gleichrichter
44 und 45 gleich und ebenso das Potential an den Punkten 481 und 471. Es fließt
dann also kein Strom durch die Wicklung 40.
-
Die Wirkungsweise der Anordnung nach Abb. 3 ist folgende: Wird der
Generator ioo von der Antriebsinaschine 2 mit normaler Geschwindigkeit angetrieben,
so liefert der Transformator 30 über den Gleichrichter 31 Gleichstrom in die Feldwicklung
33 der Erregermaschine 34. Unter normalen Betriebsverhältnissen ist der Strom in
der Feldwicklung 33 der Erregerinaschine 34 normal. Nimmt die Netzbelastung ab und
steigt die Netzspannung, so wird der Strom im Widerstand 5, größer als in
der Drosselspule 5o. Es fließt dann Gleichstrom in der Wicklung 4o in einer solchen
Richtung, daß die Wirkung der Wicklung 4i unterstützt wird. Die Reaktanz der Wicklung
35 nimmt ab, ebenso auch der vom Transformator 30 zum Gleichrichter 31 fließende
Strom. Der Erregerstrom der Erregermaschine 34 sinkt, wodurch -die Spannung des
Generators herabgesetzt wird.
-
Ist dagegen die Generatorspannung zu niedrig, so wird der Wicklung
4o Gleichstrom in solcher Richtung zugeführt, daß die Wirkung der Wicklung 41 geschwächt
wird. Die Reaktanz der Wicklung 35 steigt, damit auch der Erregerstrom der Erregermaschine
34, und die Generatorspannung steigt an.
-
Die Wicklung 38 ist so geschaltet, daß sie der Wicklung 41 entsprechend
der Netzbelastung entgegenwirkt. Bei wachsendem Generatorstrom wird die Real-,tanz
der Wicklung 35 erhöht und damit der Erregerstrom der Erregermaschine 34. Durch
die zusätzliche Erregung wird die Generatorspannung entsprechend der Zunahme der
Belastung erhöht.
-
Durch die Wicklung 39 im Erregerstromkreis des Generators ioo wird
das Ansprechen der Regelvorrichtung auf Belastungsänderungen beschleunigt, weil
der Erregerstrom des Generators zusätzlich verstärkt oder geschwächt wird.
-
Anstatt das Feld einer Erregermaschine aus dem Gleichrichter 31 zu speisen,
kann auch das Feld des Generators ioo unmittelbar aus diesem Gleichrichter gespeist
werden, so daß die Regelanordnung weniger träge ist.
-
Bei der Anordnung nach Abb.5 ist die Regelung auch vom Leistungsfaktor
abhängig. Der Gleichstrom für die Feldwicklung des Generators ioo wird beispielsweise
Ouecksilbergleichrichtern 75 entnommen und über Schleifringe 37 und Regelwiderstand
52 der Feldwicklung zugeführt. Die Quecksilbergleichrichter werden von Transformatoren
76 gespeist, deren Primärwicklungen einerseits ans Netz 17, 18, i9, andererseits
über drei Wicklungen 77 der dreischenkligen Drosselspulen 78, 79, 8o in Stern geschaltet
sind. Auf dem Mittelschenkel dieser Drosselspulen sitzen fünf von Gleichstrom durchflossene
Wicklungen 81 bis 85.
-
Die Wicklungen 81 sind über die Gleichrichter 86 an die Sekundärwicklungen
87 von Stromwandlern angeschlossen, deren Primärwicklungen in den Netzleitungen
17 bzw. i8 oder i9 liegen. Die Wicklungen 81 werden also proportional der Belastung
des Generators ioo erregt. Die Wicklungen 82 werden proportional der Netzspannung
erregt, in derselben Weise, wie dies bei der Wicklung 40 der Anordnung nach Abb.
3 der Fall ist. Die Gleichrichter 88 und 89 (vgl. Abbildung der Drosselspule 8o)
liegen in Reihe mit den Drosselspulen 9a und 93, die, wie in Abb. 6 dargestellt
ist, verschiedene, aber solche Charakteristik haben, daß bei normaler Generatorspannung
E gleiche Ströme J durch sie fließen. Die Drosselspulen 92 und 93 werden von einer
Tertiärwicklung des Transformators 94 gespeist, :der primärseitig an die Netzleitungen
17 und i9 angeschlossen ist.
-
Die Wicklung 83 wird von einem Gleichrichter 95 gespeist, der ebenfalls
an die Tertiärwicklung des Transformators 94 angeschlossen ist. Sie erzeugt in dem
Mittelschenkel der Drossel einen gleichmäßigen, einseitig gerichteten Fluß.
-
Die Wicklungen 84 und 85 sind mit den Gleichstromseiten der Gleichrichter
96 und 97 verbunden. Die Gleichrichter sind wechselstromseitig sowohl an die Sekundärwicklungen
ioi und 1o2 von Stromwandlern im Netz als auch an die Sekundärwicklung .des Transformators
94 angeschlossen. Diese Sekundärwicklung ist über einen Kondensator 98 mit dem Gleichrichter
96 bzw. über eine Drosselspule 99 mit dem Gleichrichter 97 verbunden.
-
Bekanntlich nimmt ein synchroner Wechselstromgenerator, gleiche Wirkbelastung
vorausgesetzt, bei voreilendem Leistungsfaktor einen geringeren Erregerstrom auf
als bei nacheilendem Leistungsfaktor. Durch die
Wicklungen 84 und
85 wird der Feldstrom des Generators in Abhängigkeit von dem Leistungsfaktor des
Belastungsstromes geregelt. Dies ergibt sich aus den Diagrammen nach Abb. 7, 8 und
g.
-
E bezeichnet die Generatorspannung und J den Generatorstrom. T, ist
der Strom im Kondensator 98, der dem Generatorstrom voreilt, während der Strom .T"
der Drosselspule 99 dem Strom J nacheilt. Der aus J und T, resultierende Strom ist
J2, er fließt durch den Gleichrichter 96, und die Wicklung 84 wird proportional
diesem Strom 12 erregt. Proportional dem Strom f1, der aus J und J, resultiert,
wird über den Gleichrichter 97 die Wicklung 85 erregt.
-
Sind Spannung E und Strom T in Phase (Abb. 7), so .sind
1, und 1, gleich, und ,da die Wicklungen 84 und 85 einander entgegenwirken,
so ist der von ihnen erzeugte resultierende Kraftfluß gleich Null.
-
Eilt T der Spannung E nach, wie dies im Diagramm Abb.8 dargestellt
ist, so ist 11
größer als J2. Der von der Wicklung 85 erzeugte Kraftfluß überwiegt
den Kraftfluß der Wicklung 84. Da die Wicklung 85 ,die Wicklung 83 unterstützt,
so wird die Reaktanz der Wicklung 77 vermindert und damit der Feldstrom des Generators
ioo erhöht.
-
Wenn T gemäß Abb. 9 der Generatorspannung E voreilt, so ist
1, größer als J1. Die Wicklung 84 erzeugt also einen stärkeren Kraftfluß
als die Wicklung 85 und wirkt der Wicklung 83 entgegen. Dadurch wind die Reaktanz
der Wicklung 77 verstärkt und der Feldstrom des Generators geschwächt.
-
Auf diese Weise wird bei einer Änderung des Leistungsfaktors eine
Änderung des Feldstromes des Generators im einen oder anderen Sinne herbeigeführt.
-
In der Anordnung nach Abb. i ist der Gleichrichter io, .der die Feldwicklung
i i speist, in Reihe mit der Drosselwicklung 6 geschaltet. Man kann diesen Gleichrichter
auch parallel zur Wicklung 6 schalten. Eine zusätzliche Wicklung kann auf dem Mittelschenkel
der Drossel 5 angeordnet werden, die von einem Gleichrichter gespeist wird, der
in Reihe mit dem Gleichrichter io und der zu ihm parallel geschalteten Wicklung
6 liegt. Diese zusätzliche Wicklung verringert die Reaktanz der Wicklung 6 so, daß
bei stillstehendem Generator i ein schwacher Feldstrom fließt. Beim Anlassen des
Generators wird allmählich die normale Erregung herbeigeführt. Bei Belastungsänderungen
wird die Beeinflussung des Feldstromes durch die zusätzliche Wicklung auf dem Mittelschenkel
der Drosselspule im einen oder anderen Sinne beschleunigt.
-
Eine solche zusätzliche Wicklung kann auch bei -der Anordnung nach
Abb. a verwendet werden.
-
Die beschriebenen Anordnungen haben den Vorteil, daß bewegliche Teile
und Kontakte ganz vermieden werden. Eine Erregermaschine für .den Generator, die
den Regelvorgang infolge ihrer Trägheit verzögert, ist nicht erforderlich, das Feld
des Generators kann unmittelbar aus dem Gleichrichter gespeist werden.