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Einrichtung zur Spannungsregelung und schnellen Entregung eines Wechsel-
oder Gleichstromgenerators Zur Schnell- oder Eilregelung sowie zur schnellen Entregung
von Wechselstromgeneratoren sind die verschiedensten Verfahren in Anwendung, die
kein einheitliches Ganzes darstellen. Die bekannten Einrichtungen, die z. B. eine
Regelung der Spannung bezwecken, können nicht zugleich zur Entregung verwendet werden;
im Gegenteil, im Falle notwendiger Entregung ist die Spannungsregelungseinrichtung
ein Hindernis, das umgangen werden muß. Viele Einrichtungen folgen bei sehr schnellen
Belastungsänderungen außerdem nur mit erheblicher Verzöge-' rung. Weiterhin fehlt
bei den bekannten Einrichtungen zur Regelung und Entregung eine gleichzeitige Beeinflussung
der namentlich im Brandfall wichtigen Generatorlüftung.
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Der Erfindung gemäß werden die Nachteile (mangelnde Einheitlichkeit,
unter Umständen ungenügende Empfindlichkeit, mangelnde Beeinflussung der Generatorlüftung,
Energievergeudung in Regelwiderständen) hauptsächlich dadurch vermieden, daß der
Erregerstrom des Generators zum Laststrom eines den Lüfter des Generators antreibenden
Motors gemacht wird, dessen Kupplung mit dem Lüfter im Entregungsfalle schlagartig
gelöst wird. Hierbei sei erwähnt, daß die Einschaltung eines leerlaufenden Motors
in den Erregerstromkreis eines zu entregenden Generators an sich nicht mehr neu
ist.
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Die Einrichtung arbeitet insbesondere dann vorteilhaft, wenn als Motor
ein Hauptschlußmotor gewählt wird, der von einem mit dem Hauptgenerator starr verbundenen
Hauptschlußgenerator gespeist wird.
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Verändert man von Hand oder durch einen von der Spannung des Hauptgenerators
beeinflußten Regler das Drehmoment des Lüfters (Drosselung), so ändert sich der
Laststrom, der mit dem Erregerstrom des Hauptgenerators identisch ist. Bei größerer
Generatorlast ergibt sich bei Konstanthaltung der Spannung größerer Erregerstrom,
der größerer Fördermenge des Lüfters, also intensiverer Kühlung entspricht. Die
Vorgänge verlaufen also von selbst im technisch gewünschten Sinne, und die Regelung
ist eine sogenannte verlustlose.
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Bei sehr schnellen Belastungsänderungen ändert sich der Erregergleichstrom
in bekannter Weise im gleichen Sinne wie der Belastungsstrom, und zwar in solchem
Maße, daß es erwünscht ist, daß der Wert, den der Erregerstrom infolge der elektromagnetischen
Rückwirkung des Belastungsstromes von selbst angenommen hat, ungefähr erhalten bleibt.
Der Erfindung gemäß wird dieser
Forderung dadurch entsprochen, daß
als Erregermaschine ein Reihenschlußgenerator und als mechanischer Verbraucher des
von diesem gespeisten Reihenschlußmotors der Generatorlüfter verwendet wird. Sinkt
beispielsweise die Belastung des Hauptgenerators, so sinkt im ersten Augenblick
auch der Erregerstrom; damit sinken erstens die von der Erregermaschine gelieferte
Spannung (infolge der Reihenschlußschaltung) und zweitens das vom Motor an den Lüfter
gelieferte Drehmoment, so daß dieser verzögert wird und sein quadratisch mit der
Drehzahl veränderliches Drehmoment sich von selbst verkleinert. Der automatische,
den Grad der Lüfterdrosselung ändernde Spannungsregler kann also relativ langsam
arbeiten, und trotzdem wird die Spannungsregelung außerordentlich rasch und empfindlich
erfolgen.
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Den genannten grundsätzlichen Gedanken entsprechen die Anordnungen
nach Abb. i und 2, die im folgenden näher besprochen sind.
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In Abb. i ist G eine Hauptschlußgleichstrommaschine, unmittelbar oder
mittelbar von der Antriebsmaschine des Hauptgenerators angetrieben. M ist ein Hauptschlußgleichstrommotor.
Sein Nennstrom ist gleich dem Nennstrom von G bzw. gleich dem maximalen Erregerstrom
des Hauptgenerators. V ist ein Ventilator, der den Hauptgenerator belüftet und mit
einer Vorrichtung versehen ist, die das Drehmoment des Ventilators feinstufig zu
verändern gestattet (Schieber, Drossel). Die Eigenart der Schaltung; daß bei geringer
werdender Belastung- des Hauptgenerators die Kühlleistung des Ventilators von selbst
nachläßt, bei steigender Last dagegen von selbst größer wird und daß die geförderte
Luftmenge fast augenblicklich Null wird, wenn ein schwerer Kurzschluß und damit
die Möglichkeit eines Generatorbrandes eintritt, ist von besonderem Nutzen. Bei
der vielfach üblichen Anordnung, bei der der Ventilator auf der Generatorwelle selbst
sitzt, tritt dies von selbst nicht ein. Die dabei etwa vorgenommene Umlenkung des
Luftstroms ist ein sekundäres und schlechteres Mittel.
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An Stelle des Ventilators könnte auch ein beliebiger mechanischer
Verbraucher mit beliebiger Charakteristik, jedoch mit feinstufig regelbarem Drehmoment
sich befinden; dann gingen aber eine größere Zahl wesentlicher Vorteile verloren.
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K ist eine Kupplung, die so gebaut ist, daß sie sich bei Lösung einer
Arretierung im Lauf schlagartig löst. Es kann dabei an eine rein mechanische Konstruktion
oder auch an eine magnetische Kupplung gedacht werden. R ist ein Widerstand von
zweckmäßig weniger als
S1 ist ein einpoliger Ein- und Ausschalter. S2 ist ein einpoliger Umschalter für
zwei Wege ohne Unterbrechung.
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In Abb.2 ist E eine beliebige annähernd konstante Gleichstromquelle.
M ist,ein fremderregter Gleichstrommotor. Die Erregerwicklung des Motors M kann
statt von E auch von einer anderen Stromquelle gespeist werden. Für den Ventilator
V und die Kupplung K gelten dieselben Ausführungen wie oben zu Abb. i. R ist ein
Widerstand (Signallampe, Hupe, Sirene o. dgl.). S1 ist ein einpoliger Ein- und Ausschalter.
S2 ist ein @einpoliger Umschalter für zwei Wege ohne Unterbrechung.
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Zu der Schaltung nach Abb. i ist außer dem schon eingangs Erwähnten
weiter zu bemerken Im Kurzschlußfall wird durch ein Relais oder durch ein Kontaktvoltmeter
o. dgl. eine Lösung der Kupplung K sowie Schließen von S,, und Umlegen von S2 auf
Kontakt i bewirkt. Dadurch wird eine Gegenschaltung der EMK der Selbstinduktion
des Erregerkreises und der Gegen-EMK des auslaufenden Motors, also eine gründliche
Entregung, erzielt und gleichzeitig durch die Kurzschlußbrerrisung der Maschine
G die Stillsetzung des durch den Hauptschalter abgeschalteten Hauptgenerators beschleunigt
und so die Wirkung des Generatorkurzschlusses noch weiter abgeschwächt. Daß im Kurzschlußfall
für rasche Unterbrechung der Leistungszufuhr zur Antriebsmaschine des Generators
gesorgt ist, wird .dabei als selbstverständlich vorausgesetzt.
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Auch bei Fortfall der Schalter S1, S2 und des Widerstandes R, also
bei dauernder Verbindung des Erregergenerators G mit dem Motor M, wird bei gelöster
Kupplung im Kurzschlußfall die Wirkung .der Gegen-EMK des Motors eine sehr rasche
und gründliche sein. Der Motor, der in dieser Schaltung bei Leerlauf nicht durchgeht,
sondern eine bestimmte endliche Leerlaufhöchstdrehzahl, abhängig nur von den Eigenschaften
des Reihenschlußgenerators, insbesondere dessen Drehzahl, dem Widerstand des ganzen
Stromkreises sowie von der Magnetisierungskurve des Reihenschlußmotors, besitzt,
wird diese i sofort erreichen, und damit fließt der Leerlaufstrom des Motors 11f,
der verschwindend klein ist, auch durch die Feldwicklung des Hauptgenerators. Immerhin
wird im zuerst behandelten Fall mit den Schaltern Si, S2 i und dem Widerstand R
das Generatorfeld rascher und gründlicher weggeblasen, und
außerdem
ist noch die Bremswirkung der Erregermaschine G vorhanden, die ohne Si, .S., und
R fehlt.
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Im Falle eines Kurzschlusses in der Erregung des Hauptgenerators würde
einerseits eine Verminderung der EMK des Hauptgenerators, also bei genügender relativer
Größe desselben auch Verminderung der Klemmenspannung - Sammelschienenspannung,
eintreten (es wird hierbei nur an den wichtigeren Fall des Parallelarbeitens mit
mehreren großen Generatoren bzw. Netzen gedacht), andererseits würde der Kurzschluß
eine Erhöhung der Drehzahl des Motors NI
und des Ventilators V und damit auch
eine Drehmomenterhöhung von V und eine erhebliche Stromerhöhung von 111 bewirken.
Die verminderte Klemmenspannung würde den Schnellregler zu weiterer Drehmomenterhöhung
des Ventilators veranlassen, so daß also aus zwei Gründen eine erhebliche Erhöhung
des Erregerstromes einträte. Deshalb müssen die Schalter S, und S2 so ausgebildet
sein, daß bei Überschreitung eines bestimmten Erregerstromes der Schalter S1 automatisch
geschlossen und S2 automatisch auf Kontakt i umgelegt wird. Eine automatische Lösung
der Kupplung K durch die Gleichstromerhöhung selbst tritt dabei nicht ein; sie erfolgt
durch die sekundäre Erscheinung der Generatorstromvergrößerung infolge der Störung
des Spannungsgleichgewichts zwischen Generator und Netz. Die Lösung der Kupplung
ist in diesem Fall nicht notwendig, aber doch von Nutzen. Der leerlaufende Reihenschlußmotor
wird nun von den abklingenden Feldern gespeist und wird einen kleinen Strom aufnehmen,
relativ hohe Drehzahl und infolge des kleinen Stromes in jedem Augenblick eine Gegen-EMK
nahezu gleich der EMK der Selbstinduktion des Erregerkreises besitzen. Ist der Motor
zum Stillstand gekommen, weil die speisenden Felder abgeklungen sind, so ist der
Erregerstrom natürlich vollends Null geworden. Beide Vorgänge, Stillsetzung des
Motors 111 und Stromloswerden von S2, S,, F2, A2, B2, S2 einerseits, Abschaltung
des Generators durch den Hauptschalter andererseits, würden, wenn keinerlei Zeitauslösungen
vorhanden wären, zeitlich ziemlich gleichzeitig erfolgen.
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Bei Wechselstromgeneratoren ist dafür zu sorgen, daß der Ölschalter
erst auslöst, nachdem das Hauptfeld durch Schließung von ,S, und Umlegung von S2
auf Kontakt i weggeblasen ist. Dann ist eine Gefährdung des Generators oder des
Ölschalters durch die auch in diesem Fall erzielte vollständige und rasche Entregung
vermieden. Daß auch bei gesunder Ständerwicklung im Fall eines Kurzschlusses im
Erregerkreis eine Gefährdung des Generators oder des Ölschalters eintreten kann,
ist außer Frage: Liegt der Kurzschluß so, daß der Generator trotzdem noch eine Teilerregung
erhält, so entstehen Unsymmetrien und beträchtliche Blindströme, die der Ölschalter
abzuschalten hat. Es ist bekannt, daß dabei Überspannungen auftreten, die Generator
und Ölschalter erheblich beanspruchen. Je geringer im Augenblick des Abschaltens
die EMK des Hauptfeldes, desto geringer diese Beanspruchungen. Ist im Augenblick
des Abschaltens das Hauptfeld bereits weggeblasen, so ist die Beanspruchung des
Generators und des Ölschalters ein Miniinum. Bei Gleichstromgeneratoren wird dafür
zu sorgen sein, daß der Hauptschalter zuerst auslöst und dann erst durch die Schalter
S, und S2 bei gelöster oder ungelöster Kupplung (das ist von untergeordneter Bedeutung)
die Entregung vorgenommen wird. Denn ein Gleichstromgenerator, der parallel mit
anderen Stromquellen arbeitet, stellt beim Wegfall seiner Erregung für diese Stromquellen
einen praktisch vollkommenen Kurzschluß dar, während dies bei einem Wechselstromgenerator,
der ja sogar unter Umständen ohne Gleichstromerregung als Motor als sogenannte Reaktionsmaschine
arbeiten kann, nicht der Fall ist. Die Beanspruchung des Hauptschalters und des
Generators würde also in letzterem Falle nicht vermindert, sondern gewaltig erhöht,
wenn die Entregung vor der Auslösung des Hauptschalters vorgenommen würde.
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Die erwähnten Zeiteinstellungen im gegebenen Fall richtig vorzunehmen
ist mit den bekannten Mitteln natürlich leicht möglich.
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Zu der Schaltung nach Abb. 2 ist zu bemerken: Der Erregerstrom des
Wechsel- oder Gleichstromgenerators ist gleichzeitig Belastungsstrom des durch den
Ventilator V belasteten fremderregten Gleichstrommotors. Durch Änderung des Drehmoments
von V durch Vermittlung eines Schnellreglers ist der Belastungsstrom des Motors,
der identisch ist mit dem Erregerstrom des Generators, feinstufig veränderlich.
Im Kurzschlußfall (innerer oder äußerer Kurzschluß der Ankerwicklung des Hauptgenerators)
wird die Kupplung K plötzlich gelöst, .die Schalter S, und S2 werden in dem oben
angegebenen Sinn betätigt, wodurch sich der Motor !11 intensiv beschleunigt, d.
h. innerhalb sehr kurzer Zeit eine etwas höhere Drehzahl annimmt und durch seine
Gegen-EMK den Generator rasch und gründlich entregt. Der schließlich vorhandene
Erregerstrom ist nur der kleine Leerlaufstrorn des Motors. Es
wird
also der bereits bekannte Ausschaltmotor (s. R ü d e n b e r g , Kurzschlußströme
beim Betrieb von Großkraftwerken, Berlin z925, S. 65) gleichzeitig zum Antrieb eines
Ventilators, am besten des Generatorlüfters, oder auch eines anderen mechanischen
Verbrauchers mit regelbarem Drehmoment, wobei dann aber mehrere Vorteile verlorengingen,
und zur Erregerstromregelung benützt.
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Sind die Schalter S1, S2 und der Widerstand R in der Schaltung vorhanden
(ihre Gegenwart ist bei geringeren Ansprüchen an die Wirksamkeit der Schaltung entbehrlich),
so wird. im Kurzschluß:fall nicht nur die Kupplung gelöst, sondern es wird auch
gleichzeitig S1 geschlossen und S2 auf Kontakt i umgelegt. Dann wird der Motor nur
noch von den abklingenden Feldern gespeist; während der Stillsetzung des Motors
M wird nur dessen kleiner Leerlaufstrom fließen, bis auch dieser schließlich zu
Null geworden ist.
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Im Fall eines Kurzschlusses in der Erregerwicklung des Hauptgenerators
werden die Schalter S1 und S2 durch die ErregerstromerhÖhung automatisch betätigt,
und zwar bei Wechselstromgeneratoren vor Auslösung, bei Gleichstromgeneratoren nach
Auslösung des Hauptschalters.
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Die Frage, wann und ob in diesem Falle die Kupplung K gelöst wird,
ist ohne besondere Bedeutung.