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Einrichtung zur Regelung einer Betriebsgröße eines Mehrphasensystems
mittels elektrischer Ventile Die Erfindung betrifft die Regelung einer Betriebsgröße
eines Mehrphasensystems mittels elektrischer Ventile. -Durch diese Ventile wird
beispielsweise die Erregung einer elektrischen Maschine derart gesteuert, daß ein
bestimmter Sollwert in dem Mehrphasensystem, auf welches die Maschine arbeitet,
eingehalten wird.
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Erfindungsgemäß ist eine in an sich bekannter Weise an sämtliche Phasen
des zu regelnden Systems angeschlossene Vorrichtung vorgesehen, welche die Gitterspannung
der Ventile derart steuert, daß bei einer bestimmten Unsymmetrie zwischen den Spannungen
der einzelnen Phasen des Systems die Leitfähigkeit der in dem Regelstromkreis liegenden
Ventile plötzlich auf ihren Maximalwert erhöht wird. Handelt es sich beispielsweise
um die Regelung eines Drehstromgenerators, und es tritt infolge eines Kurzschlusses
ein starker Spannungsabfall nur in einer Phase auf, so wird die Leitfähigkeit der-im
Erregerkreis des Generators liegenden Ventile sofort derart stark gesteigert, daß
der Generator, solange die Unsymmetrie besteht, seine maximal mögliche Spannung
abgibt.
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An sich ist es bekannt, bei Änderungen eines stationären Zustandes
in verschiedenartiger Weise, auf den Regelvorgang einzuwirken, wozu man zweckmäßig
als beeinflussende Größe die zeitliche Änderung einer Betriebsgröße verwenden kann.
Man kann dadurch z. B. den Regelvorgang beschleunigen und den Erregerstrom so beeinflussen,
daß er annähernd konstant bleibt. In vorliegendem Falle wird bei Spannungsunsymmetrie
ein stabiles Arbeiten der Maschine auch dann noch ermöglicht, selbst wenn die Maschine
mit der Erregung Null als Blindleistungsmaschine arbeitet.
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In den Abbildungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung für die
Spannungsregelung von Generatoren dargestellt. In Abb. i bedeutet i einen Generator,
dessen Spannung konstant gehalten werden soll und der auf das Netz 2 arbeitet. 3
ist die Erregerwicklung des Generators, die ihre Spannung von der Erregermaschine
q. erhält. 5 ist die Haupterregerwicklung der Erregermaschine. Eine zweite Erregerwicklung
dient zur Gegenerregung durch die Hilfserregermaschine 58. Als Stromquelle für die
Erregerwicklung 5 dient die Sekundärwicklung ii des Transformators g. In dem Stromkreis
der Feldwicklung 5 liegen die elektrischen Ventile 6, 7 und B. Als Ventile sind
gittergesteuerte Entladungsgefäße verwendet, und zwar vorzugsweise Dampf- oder Gasentladungsgefäße,
da diese für viel größere Ströme brauchbar sind als Entladungsgefäße mit reiner
Elektronenentladung.
Bei den Dampf- oder Gasentladungsgefäßen wird
durch die Gittersteuerung der Zündmoment des Anodenstromes bestimmt. Fließt der
Strom, so kann er durch das Gitter nicht mehr beeinflußt werden. Er erlischt erst
wieder, wenn die Anodenspannung durch Null hindurchgeht. Durch Änderung der Größe
des Gitterpotentials ist es möglich, diejenigen Zeiten zu bestimmen, während deren
ein Anodenstrom für die Erregung der Wicklung 5 fließen kann.
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Der den Erregerkreis speisende Transformator g ist mit seiner in Dreieck
geschalteten Primärwicklung io an das Netz 2 angeschlossen. Seine Sekundärwicklung
ii ist zweckmäßig in Zickzackstern geschaltet, um eine Gleichstrommagnetisierung
der Transformatorkerne zu verhindern. Die Anoden der Ventile 6, 7 und 8 sind mit
den drei freien Klemmen der Sekundärwicklung verbunden. An den Sternpunkt ist die
eine Seite der Feldwicklung 5 angeschlossen, deren andere Seite mit den Kathoden
der Ventile verbunden ist.
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Die Kathoden der Ventile erhalten ihre Heizung von dem Transformator
i2, der über den einstellbaren Widerstand 13 an das Netz 2 angeschlossen ist. Die
Steuerspannung für die Gitter der Ventile ist an dem Widerstand 14 abgenommen. Vor
die einzelnen Gitter sind noch die Widerstände 15, 16 und 17 vorgeschaltet. Ein
Glättungskondensator 14' liegt parallel zu dem Widerstand 14. Die Steuerung der
Ventile geschieht durch Änderung des Gitterpotentials in der Weise, daß die Ventile
für eine Periode oder für eine bestimmte Zahl von Perioden Strom durchlassen und
während der folgenden Periode oder einer bestimmten Anzahl von Perioden die Zündung
verhindern, so daß der Strom gesperrt wird.
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Die Einrichtung ist so getroffen, daß die an dem Widerstand 14 abgegriffene
4 Spannung sich sowohl in Abhängigkeit von der zu regelnden Spannung als auch in
Abhängigkeit von der Spannung der Erregermaschine 4 verändert. Es geschieht dies
in folgender Weise: Der Meßkreis für die zu regelnde Spannung ist über den Transformator
2o an eine Phase des Netzes :z angeschlossen. Die Einzelheiten des Meßkreises sind
nicht gezeichnet, da sie für die Erfindung nicht von Bedeutung sind. fit Hilfe des
Meßkreises wird an dem Widerstand 44 eine Gleichspannung erzeugt, die sich bei Änderungen
der Spannung des Netzes :z in umgekehrtem Sinne gleichfalls verändert, aber in weit
stärkerem Maße. Die an dem Widerstand 44 herrschende Spannung wird mit der Spannung
an der Erregermaschine 4 über die Leitungen 45 und 46 zu einer resultierenden Differenzspannung
zusammengesetzt, die sich an dem Widerstand 47 einstellt. Die Spannung an dem Widerstand
47 dient zur Steuerung der Verstärkerröhren 48 und 49. Die Gitter dieser Röhren
sind über die Widerstände 50 und 51 mit dem einen Ende des Widerstandes 47
verbunden. Die Kathoden der Verstärkerröhren werden von dem Transformator 34 geheizt.
Der Anodenstrom der Röhren fließt über den Widerstand 14, an dem er den zur Steuerung
der Ventile erforderlichen Spannungsabfall hervorruft.
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Die Anodenspannung der 'Verstärkerröhren wird gemäß der Erfindung
in der Weise erzeugt, daß die Verstärkerröhren bei Unsymmetrien im Netz, z. B. infolge
einphasiger Kurzschlüsse, ihre Arbeitsweise plötzlich sehr stark verändern. Zu diesem
Zwecke dient als Anodenspannung eine Spannung, die den höheren Harmonischen des
Transformators 52, 53 entspricht. Die Primärwicklung 52 ist in Stern geschaltet
und an das Netz 2 angeschlossen. Die Sekundärwicklung 53 ist in offenem Dreieck
geschaltet. Der Transformator ist so stark gesättigt, daß in dem Sekundärkreis Ströme
im wesentlichen von dreifacher Frequenz entstehen. Die dritten Harmonischen werden
der Primärwicklung des Transformators 54 zugeführt, dessen Sekundärwicklung mit
den Anoden der beiden Röhren 48 und 49 verbunden ist. Ein Kondensator 55 liegt in
Reihe zu dem Sekundärkreis und parallel zu einem einstellbaren Widerstand 56. Durch
die Einstellung des Kondensators 55 und des Widerstandes 56 kann man es erreichen,
daß die induktive Reaktanz für die dritten Harmonischen kompensiert wird. Es hat
dies den doppelten Vorteil, daß die gesamte Impedanz für die dritten Harmonischen
klein wird und hoch für den Strom der Grundfrequenz, der sonst bei Unsymmetrie in
dem Sekundärkreis fließen kann. Evtl. kann man auch noch einen Sperrkreis für die
Grundfrequenz einschalten. Statt als Anodenspannung kann die Spannung des Transformators
54 auch als Gittervorspannung der Röhren 48 und 49 verwendet werden.
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Bei Symmetrie in den Spannungen des Netzes 2 entstehen in den Sekundärwicklungen
53 in jeder Phase gleiche Spannungen, die untereinander um i2o ° in der Phase verschoben
sind. Da jedoch der Transformator wenigstens bei den Maximalwerten des Flusses gesättigt
ist, sind diese Spannungen nicht sinusförmig, sondern enthalten ungeradzahlige Harmonische,
insbesondere dreifacher Frequenz. Da die Grundwellen um 12o ° verschoben sind, heben
sie sich auf. Die dritten Harmonischen sind jedoch alle in Phase und addieren sich
zu dem dreifachen Betrag. Da der Stromkreis durch den Kondensator 55 auf die dritten
Harmonischen abgestimmt ist, sind die höheren ungeradzahligen Harmonischen vernachlässigbar.
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Da die Größe jeder Spannung dreifacher Frequenz in den drei Phasen
ungefähr proportional der wirklichen Phasenspannung ist, sinkt bei einem Kurzschluß
die dritte Harmonische
der kranken Phase sehr stark ab, so daß auch
die gesamte sekundär abgenommene Spannung dreifacher Frequenz erheblich kleiner
wird. Es sinkt infolgedessen die Anodenspannung und damit auch der Anodenstrom der
Verstärkerröhren 48 und 49. Der Spannungsabfall an dem Widerstand 14 sinkt in gleicher
Weise ab, sodaß die Gitter der Ventile 6, 7 und 8 eine kleine Spannung erhalten,
die nicht mehr ausreicht, um den Anodenkreis der Ventile zu sperren. Der Erregerstrom
in der Wicklung 5 nimmt infolgedessen seinen Maximalwert an, und die Maschine i
gibt ihre maximal mögliche Spannung ab.
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Bei der Anordnung nach Abb.2 sind die Erregerkreise des Generators
i und der Erregermaschine 4 in gleicher Weise ausgebildet wie bei der Anordnung
nach Abb. i. Als Ventile sind wieder Gas- oder Dampfentladungsgefäße 6, 7 und 8
verwendet. Die Steuerung dieser Gefäße geschieht jedoch nicht durchÄnderung der
Größe der den Gittern zugeführten Spannung, sondern durch Änderung der Phasenlage
des Gitterpotentials gegenüber dem Anodenpotential. Auf diese Weise kann ebenfalls
der Zündmoment in den Entladungsgefäßen und damit der Erregerstrom der Feld-,vicklung
5 beeinfiußt werden. Die Gitter erhalten eine Wechselspannung von der Sekundärwicklung
61 eines Drehfeldtransformators 59. Die Primärwicklung 6o dieses Transformators
ist an die drei Phasen des Netzes 2 angeschlossen. Durch Verdrehung der Primärwicklung
gegenüber der Sekundärwicklung oder umgekehrt wird die Phasenlage der den Gittern
der Ventile 6, 7 und 8 zugeführten Spannung gegenüber der über den Transformator
g erhaltenen Anodenspannung verändert.
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Die Primärwicklung 6o des Drehtransformators 59 ist beweglich
angeordnet, so daß sie von dem Drehrelais 62 bewegt werden kann. Das Drehrelais
ist dreiphasig ausgebildet und an sämtliche drei Phasen des Netzes 2 angeschlossen.
Es besitzt eine feststehende mehrphasige Primärwicklung 63 zur Erzeugung eines Drehfeldes
und einen Rotor mit der Sekundärwicklung 64. Die Wicklung 63 ist über die einstellbaren
Widerstände 65 und die festen Widerstände 66 an die drei Phasen des Netzes angeschlossen.
Die einstellbaren Widerstände dienen zum Einstellen der konstant zu haltenden Spannung
und geben allein oder zusammen mit den festen Widerständen dem Stromkreis eine von
der Frequenz des Netzes 2 unabhängige Charakteristik. Der Rotor 64 ist über die
Welle 65' mit dem drehbaren Teil des Drehtransformators verbunden. Dem Drehmoment
des Drehrelais wirkt die Rückstellkraft der Feder 66' entgegen. Für das Drehrelais
ist ein kleiner Induktionsmotor verwendet, dessen Primärwicklung 63 auf dem inneren
Umfang des Stators angeordnet ist und dessen Rotor aus einer hohlen Stahl-Blocke
besteht. Das Drehrelais ist so ausgebildet, daß eine kleine Änderung in der Netzspannung
eine bestimmte Änderung des Drehwinkels des Rotors hervorruft. Der Drehtransformator
besitzt eine große Zahl von Polen, so daß einer geringen mechanischen Verdrehung
eine große elektrische Phasenverschiebung von beispielsweise go ° entspricht. Da
die Ventile 6, 7 und 8 in einem stark induktiven Stromkreis liegen, wird durch eine
solche Phasenverschiebung von go ° der Anodenstrom der Ventile praktisch von Null
bis zu einem Maximalwert gesteuert.
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Die Bewegung der Welle 65' wird durch den Dämpfungszylinder 67 und
den Kolben 68 gedämpft. Der Kolben 68 ist über eine Feder 69
federnd mit der
Welle 65' verbunden, um bei einer plötzlichen Änderung der Netzspannung eine rasche
Bewegung des Transformators herbeizuführen. Um ein Überregeln oder ein Pendeln der
Regelung zu vermeiden, wirkt auf die Welle 65' noch das Drehmoment des Magnets 7o
ein. Die Wicklung 71 des Magnets, dessen Kern an dem Dämpfungszylinder 67 angreift,
wird von einer elektrischen Größe des Erregerkreises erregt. In dem Ausführungsbeispiel
ist die Wicklung an die Spannung der Erregermaschine 4 angeschlossen. Die Wicklung
72 dient gleichfalls zur Vermeidung von Pendelungen. Sie wird von einer Stromquelle
mit im wesentlichen konstanter Spannung gespeist. Eine solche Stromquelle ist die
Hilfserregermaschine 58. Mit dieser Anordnung ergibt sich ein stabiles Arbeiten,
selbst wenn die Maschine i mit der Erregung Null als Blindleistungsmaschine arbeitet.
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Bei unsymmetrischen Spannungsverhältnissen im Netz 2 erhalten die
Phasen- und die verketteten Spannungen symmetrische positive und negative Phasenfolgekomponenten.
Das Drehmoment des Drehrelais ist im wesentlichen proportional der Differenz zwischen
den Quadraten der Größe der positiven Phasenfolgekomponenten und der negativen Phasenfolgekomponenten,
so daß das resultierende Drehmoment des Drehrelais sich bei Unsymmetrie sofort derart
ändert, daß der Rotor 6o sich unter der Vorspannung der Feder 69 in eine
Lage bewegt, in welcher die Ventile ihre volle Leitfähigkeit besitzen.