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Selbsttätiger Spannungsregler für elektrische Stromerzeuger Gegenstand
der Erfindung ist ein selbsttätiger Spannungsregler für elektrische Stromerzeuger,
bei welchem der Magnetregler des Stromerzeugers oder derjenige seiner Erregermaschine
durch einen Servomotor unter Vermittlung von Impulsgebern gesteuert wird. Wollte
man solche Servomotoren durch die Spannung des Stromerzeugers allein steuern, so
müßte der Impulsgeber, um unzulässige Spannungsschwankungen zu vermeiden, einen
kleinenUngleichförmigkeitsgradhaben. Solche Impulsgeber neigen erfahrungsgemäß zu
Pendelungen und schließen eine stabile Regelung aus. Steht aber der Servomotor allein
unter dem Einfluß der Generatorbelastung, so wäre ein solcher Impulsgeber zwar vollkommen
stabil, aber es ist nicht möglich, den Magnetregler so zu berechnen, daß er genau
mit der Stellung des Impulsgebers und der zugehörigen Belastung übereinstimmt.
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Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, wird erfindungsgemäß der Servomotor
außer durch einen von der Belastung des Generators abhängigen Impulsgeber durch
einen zweiten von der Spannung abhängigen Impulsgeber gesteuert, welcher mit dem
ersten mechanisch verkettet ist, wobei die relativen Verschiebungen dieser beiden
Impulsgeber zueinander über ein gemeinsames mechanisches Verbindungsmittel auf das
Steuerorgan des Servomotors übertragen werden. Auf diese Weise bewirkt der vom Strom
abhängige Impulsgeber die grobe Einstellung des Magnetreglers, während der von der
Spannung abhängige Impulsgeber, zur Feineinstellung der Magneterregung dient. Hierbei
wird zwar dem spannungsabhängigen Impulsgeber ein großer Ungleichförmigkeitsgrad
gegeben, aber der für den eigentlichen Reguliervorgang notwendige Hub erstreckt
sich nur über einen verschwindend kleinen Teil des Gesamthubes, für den dann der
Ungleichförmigkeitsgrad genügend klein ist. Der Regler spielt somit immer um die
Mittellage. Nichsdestoweniger wird eine große Stabilität der Regulierung infolge
des großen Gesamtungleichförmigkeitsgrades des spannungsabhängigen Impulsgebers
erreicht.
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Mit diesem System hat nichts eine bekannte Reguliereinrichtung zu
tun, nach welcher als Servomotor des Magnetreglers ein Gleichstrommotor verwendet
ist, der zwei nicht verkettete Erregerwicklungen besitzt, von denen die eine unmittelbar
von der Stromstärke, die andere unmittelbar von der Spannung des zu regelnden Stromerzeugers
erregt wird. Obgleich diese beidenErregerwicklungen als Impulsgeber bezeichnet werden
können, wirken sie hier auf dasselbe Magnetsystem, während es gerade nach derErfindungdarauf
ankommt, daß die beiden Organe unabhängig voneinander ihre Regulierwege beherrschen
und die daraus sich ergebenden relativenVerschiebungen dem Steuerorgan des Servomotors
jedweder Art übermittelt werden.
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An Hand der Zeichnung soll der Erfindungsgegenstand im nachfolgenden
näher beschrieben werden. Mit z ist die induzierte
Wicklung, mit
2 die Erregerwicklung eines elektrischen Stromerzeugers- bezeichnet, der als Dreiphasenstromerzeuger
angenommen ist und auf die Leitungen 3 arbeitet. Die Erregerwicklung 2 des Strorrierzeugers
wird von einer Erregermaschine 4, die durch die Erregerwicklung 5 beispielsweise
im Nebenschluß erregt ist, gespeist. Die Erregung der Erregermaschine wird durch
einen Magnetregler 6 geregelt.
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Die Verstellung des letzteren erfolgt durch einen Servomotor, der
in der Zeichnung als ein an sich bekannter öldruckmotor dargestellt ist, in dessen
Zylinder 7 der beiderseitig beaufschlagte Kolben 8 sich nach der einen oder der
anderen Seite bewegen kann. Die Steuerung des Servomotors erfolgt in an sich bekannter
Weise durch einen Steuerschieber 9, bestehend aus dem Zylinder io und dem Steuerkolben
i i, der j e nachdem, ob die Spannung höher oder niedriger einzustellen ist, dem
durch die Zuleitung i2 zugeführten Drucköl den Zutritt zu der unteren oder oberen
Seite des Kolbens 8 des Servomotors freigibt. Durch die Ableitungen 13 und 14 wird
das aus dem jeweils nicht unter Druck stehenden Zylinderteil des Servomotors verdrängte
ü1 abgeleitet. Die Verstellung des Steuerkolbens i i erfolgt mittels eines Hebels
15. Diesem wird die Bewegung eines die beiden Impulsgeber 18 und i 9 mechanisch
verkettenden Gliedes 16 durch das Gestänge 17 übermittelt.
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Die Impulsgeber sind als Solenoide 2o bzw. 21 mit beweglichem Magnetkern
22 bzw. 23 und Gegenfeder 24 bzw. 25 ausgeführt. Der Impulsgeber 18 wird über einen
Spannungswandler 26 und Regulierwiderstand 27 von der Spannung des Stromerzeugers
i gespeist. Seine Bewegungen sind somit von dieser Spannung abhängig.. Der Impulsgeber
i9 wird von einem Stromwandler 28 gespeist, so daß seine Bewegungen von dem Belastungsstrom
des Stromerzeugers i abhängig sind. Zwecks feinerer Einstellung kann der von der
Sekundärwicklung des Stromwandlers zugeführte Strom durch einen im Nebenschluß an
die Zuleitungen gelegten Regulierwiderstand 29 geregelt werden, der aber gegebenenfalls
auch mit der Wicklung des Soleno:ids 21 in Reihe geschaltet werden kann. Die Regelungswiderstände
27 und 29 können auf der Schalttafel angeordnet werden, so daß von dort aus eine
Fernbeeinflussung des Spannungsreglers möglich ist.
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Statt den Impulsgeber i9 vom Belastungsstrom des Stromerzeugers i
abhängig zu machen, kann er auch in Abhängigkeit von der der Magnetwicklung 2 durch
die Erregermaschine 4 zugeführten Erregerspannung, die j a in einer gewissen Abhängigkeit
vorn Belastungsstrom steht, gebracht werden, indem man die Zuleitungen des Soleno@ids
2i unter Fortfall des Stromwandlers 28 an die Zuleitungen zur Magnetwicklung 2 anschließt,
wie dies die Zeichnung in strichpunktierten Linien andeutet. Bei Niederspannungsmaschinen
kann auch der Spannungswandler 26 in Fortfall kommen, und die Zuleitungen zu dem
Solenoid 2o des Impulsgebers i8 können unmittelbar an' die Leitungen 3 angeschlossen
werden.
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Nimmt man beispielsweise den Fall an, daß die Spannung bei Zunahme
der Belastung konstant gehalten werden soll, so ist die Wirkungsweise der beschriebenen
Anordnung folgende: Bei Leerlauf nimmt der Hebel 16 eine bestimmte Ruhelage ein.
Bei steigender Belastung wird der Magnetkern 23 des Impulsgebers i9 durch das Solenoid
2i aufwärts belvegt. Dies hat zur Folge, daß der Hebel i6 um den Punkt 3o als Drehpunkt
ausschlägt und dabei durch die Gelenkverbindung 17 auch den Hebel 15 des Steuerschiebers
9 so bewegt, daß der Hebel 15 um den Punkt 31 ausschlägend den Steuerkolben i i
aufwärts. bewegt. Hierdurch wird dem durch die Zuleitung i2 zugeführten Drucköl
der Zutritt zur Oberseite des Kolbens 8 des Servomotors freigegeben. Der Kolben
bewegt sich .nach unten und dreht dabei die Kontaktkurbel des Regulierwiderstandes
6 in dem Sinne, daß die Magneterregung der Erregermaschine gesteigert wird.
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Die Einregelung der Spannung durch den stromabhängigen Impulsgeber
i9 allein ergibt noch nicht die wünschenswerte Genauigkeit. Hier tritt nun der spannungsabhängige
Impulsgeber 18 korrigierend in Wirkung, indem der Magnetkern 22 desselben seine
Lage innerhalb des Solenoids 2o derart verändert, claß der Hebel 16 um den Punkt
32 ausschlagend den Punkt 3o so verlegt, daß die noch vorhandene Abweichung von
der normalen Betriebsspannung des Stromerzeugers i vollkommen ausgeglichen wird.
In ähnlicher Weise, nur im umgekehrten Bewegungssinne, erfolgt die Regelung, wenn
die Spannung des Stromerzeugers i durch Entlastung ztr hoch wird und herunterreguliertwerden
muß.
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Etwas anders gestaltet sich der Regelungsvorgang, wenn der stromabhängige
Impulsgeber i9 nicht vom Belastungsstrom des Stromerzeugers, sondern von der Erregerspannung
des letzteren oder der Erregerspannung der Erregermaschine beeinflußt wird. Infolge
der magnetischen Trägheit der Feldmagnete der Maschinen wird dann eine plötzliche
Änderung der Belastung des Stromerzeugers i nicht sofort in dem stromabhängigen
Impulsgeber i9 zur Wirkung kommen. Infolgedessen
regelt der Spannungsregler
nicht sofort die Spannung nach. Der hierdurch bedingte Spannungsabfall bringt zunächst
den spannungsabhängigen Impulsgeber 18 zur Wirkung und inzwischen hat sich dann
auch die Belastungsänderung mittelbar dem Impulsgeber i9 mitgeteilt. Dieser spricht
an, und die genaue Einregelung erfolgt wieder durch den spannungsabhängigen Impulsgeber
18.
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Je nach der Einstellung der Impulsgeber 18 und i9 wird man dann die
Regelung der Spannung so vornehmen, daß dieselbe beim Übergang von Leerlauf auf
Vollast entweder um nur wenige Prozent abnimmt oder konstant bleibt. Man kann aber
auch durch sinngemäße Abänderung die Einrichtung so treffen, daß die Spannung bei
zunehmender Belastung zunimmt, d. h. daß der Stromerzeuger überkompoundiert ist,
was z. B. dann wünschenswert ist, wenn durch die Spannungsregelung auch der Spannungsabfall
im äußeren Stromnetz ausgeglichen werden soll. Zu diesem Zweck kann. man den spannungsabhängigen
Impulsgeber 18 noch mit einer zweiten Wicklung versehen, die vom Strom abhängig
ist, oder man kann ihn durch einen zusätzlichen stromabhängigen Impulsgeber ergänzen.
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Die vorstehenden Ausführungen beziehen sich auf den Betrieb des elektrischen
Generators im Beharrungszustand oder bei ganz allmählicher Veränderung der Belastung
zwischen Leerlauf und Vollast. Bei diesen Betriebszuständen genügen die dem Regler
durch die beiden Impulsgeber verliehenen Eigenschaften zu einerRegelung ohne wesentliche
Pendelungen um die Gleichgewichtslage. Bei plötzlichen Belastungsänderungen dagegen
tritt noch die Frage der Aperiodizität hinzu. Bei solcher plötzlichen Belastungsänderung
wird der Regler die Tendenz haben, infolge der ohne Verzug eintretenden Änderung
der Spannung zunächst überzuregulieren, so daß die magnetische Trägheit der beiden
Feldmagnetsysteme des Stromerzeugers und der Erregermaschine schneller überwunden
ist, als dies der normale Strom tun würde. Da, wie bereits erwähnt, die Impulsgeber
mit der größtmöglichen Stabilität versehen sind, wird die Regelung auch bei starken
Belastungsschwenkungen ohne Pendelungen vor sich gehen.
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In der Praxis hat es sich gezeigt, daß Impulsgeber, die vom Strom
oder von der Spannung abhängig sind, um so schneller wirken, j e kleiner sie sind,
weil sie dann mit der kleinstmöglichen Masse ausgeführt werden können. Man hat daher
Regler, welche mit solchen Impulsgebern arbeiten, verwendet und ihre mangelnde Energie
durch eine im Regulatorenbau allgemein bekannte Vorsteuerung erhöht. Eine solche
Vorsteuerung ist aber eine weitere Komplikation der Regelungseinrichtung, um so
mehr, als sie, um größtmögliche Empfindlichkeit zu haben, vielfach mit einer besonderen
Olversorgung versehen wird. Mit dem Gegenstand der Anmeldung ist es ohne weiteres
möglich, schwerere Impulsgeber zu verwenden, die den Steuerschieber des Servomotors
unmittelbar zu bewegen vermögen, weil diese Anordnung die Möglichkeit bietet, den
Ungfeichförmigkeitsgrad im Interesse der Stabilität genügend groß zu machen. Auf
diese Weise erhält die Einrichtung die größtmögliche Einfachheit und Verständlichkeit
für das Betriebspersonal. In bestimmten Fällen jedoch, beispielsweise wenn es sich
um dieRegelung der Spannung sehr großer Maschinen handelt und aus der Vergrößerung
des vom Servomotor betätigten Magnetreglers auch eine Vergrößerung des Servomotors
selbst und seiner Steuereinrichtung notwendig ist, kann es zweckmäßig erscheinen,
auch beim Erfindungsgegenstande eine Vorsteuerung anzuwenden. In diesem Falle würden
dann, wie bekannt, die Impulsgeber nicht unmittelbar auf die Steuerung des Servomotors,
sondern auf die Vorsteuerung einwirken, wobei dann dieVorsteuerung erst die eigentliche
Steuerung betätigt.
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Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung ist nur eines der vielen
möglichen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Diese ist naturgemäß nicht an die
Anwendung bei Drehstrom gebunden, sondern kann ebensogut auch bei ein- oder mehrphasigem
Wechselstrom sowie auch bei Gleichstrom unter sinngemäßer Abänderung zur Anwendung
kommen. In geeigneten Fällen, d. h. bei Stromerzeugern nicht allzu großer Leistung,
wird es auch möglich sein, den Servomotor auf einen Magnetregler wirken zu lassen,
der den Erregerstrom der Erregerwicklung 2 des Stromerzeugers i unmittelbar, d.
h. also nicht durch Vermittlung der Erregung der Erregermaschine, regelt. Auch die
übrigen Einzelheiten der in der Zeichnung dargestellten Anordnungen können in mannigfacher
Weise abgeändert werden.
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Auch. die Impulsgeber selbst brauchen nicht in der in der Zeichnung
dargestellten Weise als Solenoid mit Eisenkern und Gegenfeder ausgeführt zu sein,
sondern es kann zweckmäßig erscheinen, den Impulsgebern beispielsweise die Form
eines beliebigen Elektromagneten oder eines Elektromotors mit drehbarem Anker zu
geben, wobei man im letzteren Falle noch den Vorteil hat, däß der Luftspalt und
mit diesem die Zugkraft über den ganzen Regelungsbereich konstant bleibt, wobei
im
übrigen auch der Wattverbrauch geringer ist als bei einem Solenoid
oder einem Elektromagneten gewöhnlicher Bauart.