DE637326C - Einrichtung zur selbsttaetigen Leistungsregelung von Puffermaschinen - Google Patents

Description

Es sind Einrichtungen bekanntgeworden, durch welche die Rückwirkung der Belastungsschwankungen von elektrischen Arbeitsmaschinen auf das Netz vermieden werden. Zur Regelung der Pufferung sind Schnellregler oder Fliehkraftregler vorgesehen.

In der erfindungsgemäßen Einrichtung sind zu diesem Zwecke keine besonderen Regeleinrichtungen oder Relais erforderlich, so daß eine wesentliche Vereinfachung der Puffereinrichtung erzielt wird. Außerdem weist die erfindungsgemäße Einrichtung auch bei Betrieben mit stark schwankendem Leistungsbedarf ein gleichmäßiges und empfindliches Ansprechvermögen auf.

Die Puffermaschine der erfindungsgemäßen Einrichtung ist mit einem Schwungrad mechanisch gekuppelt, dessen Drehzahl beschleunigt oder verzögert wird, so daß entsprechend der Größe der Belastung Energie aufgespeichert oder abgegeben wird. Die Steuerung der Pufferung erfolgt durch selbsttätige Regelung der Erregung der Puffermaschine.

Puffermaschinen dieser Art sind besonders in Verbindung mit der Abgabe elektrischer Energie an solche Verbraucher zweckmäßig, die während des Betriebes große! Lastschwankungen verursachen. Diese Puffermaschinen können in Verbindung mit Elektromotoren z. B. zum Antrieb von Walzenstraßen, Förderanlagen, Winden oder zum Ausgleich der Belastung elektrischer Antriebe auf einem Bahnunterwerk Verwendung finden. Derartige Puffermaschinen sind auch für Drehzahlprüfungen elektrischer Vorrichtungen oder Maschinen, z. B. an Triebmotoren, geeignet.

In der erfindungsgemäßen Einrichtung wird eine Gleichstrommaschine der Metadynebauart vorgesehen. Eine Metadyne ist im wesentlichen wie eine Gleichstrommaschine gebaut und besitzt einen bewickelten Anker mit einem Stromwender sowie einen Ständer mit ausgeprägten Polen. In der einfachsten Form sind auf dem Stromwender je ein Satz primäre und sekundäre Bürsten angeordnet. Wird an die primären Bürsten eine konstante Spannung gelegt, so kann bei konstanter Drehzahl den sekundären Bürsten ein konstanter Strom entnommen werden.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur selbsttätigen Leistungsregelung von Puffermaschinen, die mit einem Schwungrad mechanisch gekuppelt und an ein Gleichstromnetz von annähernd konstanter Spannung angeschlossen sind, welches außerdem die Verbraucher speist. Erfindungsgemäß liegt eine Erregerwicklung der · Pufferrnaschine in dem sekundären Stromkreis einer Erregermaschine der Metadynebauart, die mit einer der Drehzahl der Puffermaschine

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proportionalen Drehzahl umläuft und mit ihren primären Bürsten an dem Gleichstromnetz liegt. Eine in der Puffermaschine oder in der Erregermaschine der Metadynebauar#; oder in einer zusätzlichen Erregermaschine' vorgesehene zweite Erregerwicklung wird von dem Belastungsstrom durchflossen, da-. mit die Puffermaschine entsprechend den in dem Gleichstromnetz auftretenden Schwankungen um einen bestimmten Belastungswert Energie aufspeichern oder abgeben kann. Die Erregermaschine der Metadynebauart ermöglicht innerhalb eines bestimmten Bereiches eine von der Drehzahl der Puffermaschine is annähernd unabhängige Regelung der dem Gleichstromnetz zugeführten Leistung der Puffermas chine.

Die primären Bürsten der Metadyne können auch an eine Spannung gelegt werden, die sich entsprechend den Belastungsschwankungen ändert. Dadurch wird auf Grund! der Arbeitsweise der Metad)^rne die von der Puffermaschine erzeugte Spannung annähernd unabhängig von der Drehzahl. Statt zur Speisung einer der Erregerwicklungen der Puffermaschine eine besondere Metadyne vorzusehen, kann die Puffermaschine selbst als Metadyne ausgeführt werden, um innerhalb eines bestimmten Bereiches eine von der Drehzahl unabhängige Spannung zu erzeugen. In diesem Falle wird ein Bürstensatz entweder unmittelbar oder über eine Erregerwicklung, kurzgeschlossen. Der _/ von dieser Erregerwicklung erzeugte Fluß hat die gleiche Richtung wie derjenige Fluß, der von dem zwischen diesen Bürsten fließenden Ankerstrom erzeugt wird.

Mit Hilfe dieser Einrichtung kann die gesamte Belastung der Anlage unabhängig von den Belastungsschwankungen, die von den angeschalteten Verbrauchern hervorgerufen werden, annähernd konstant gehalten werden. Die Energieaufspeicherung in der Puffermaschine und die Abgabe dieser Energie an W das Gleichstromnetz findet auf Grund des ständigen Arbeitens der Erregerwicklungen ohne Verwendung von Schaltwerk oder Relais völlig selbsttätig statt. Die Einrichtung ist sehr empfindlich und arbeitet äußerst gleichmäßig.

Der Drehzahlabfall, den das Schwungrad bei der Energieabgabe erfahren kann, ist nicht begrenzt. Als Mindestwert für die Schwungraddrehzahl kann der Wert von ein Drittel bis ein Viertel der Höchstdrehzahl gewählt werden, so daß annähernd die gesamte kinetische Energie des Schwungrades für die . , Ausfahrung der Spitzenlast verfügbar ist.

Ferner werden erfindungsgemäß Vorrichtungen vorgesehen, um eine Beschleunigung des Schwungrades auf eine zu hohe Drehzahl zu verhüten, die sonst unter gewissen Arbeitsbedingungen erfolgen kann. .., Soll die Puffereinrichtung nur auf die ^?Vi(J*ßerhalb bestimmter Grenzwerte liegenden -'"Bglästungsschwankungen ansprechen, so sind lö'e'hrere auf die Belastung ansprechende Wickelungen nur dann wirksam, wenn die Belastung außerhalb des bestimmten Bereiches liegt. Zu diesem Zweck ist außer der vom Belastungsstrom durchflossenen Erregerwicklung noch eine weitere, der ersten Wicklung entgegenwirkende zweite Erregerwicklung vorgesehen, die an der Klemmenspannung einer Erregermaschine liegt. Diese Erregermaschine wird von einer vom Belastungsstrom durchflossenen Wicklung erregt und arbeitet im Sättigungsbereich, wenn die Belastung außerhalb des bestimmten Bereiches liegt.

Es können auch eine gesättigte und eine verhältnismäßig ungesättigte Erregermaschine, die der Belastung entsprechend erregt und mit einer Erregerwicklung der Puffermaschine hintereinander und gegeneinander geschaltet sind, oder eine besonders gebaute Erregermaschine vorgesehen werden.

Die Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen veranschaulicht.

Die Abb. i, 3 bis 7, 15, 18 bis 21, 23 und 24 zeigen den schaltungstechnischen Aufbau der erfindungsgem'äßen Einrichtung.

Die Abb. 2, 8 bis 14, 16, 17 und 22 zeigen Schaubilder zur A^eranschaulich'ung der Arbeitsweise der in den anderen Abbildungen dargestellten Einrichtungen.

In; Abb. ι ist der Anker der Puffermaschine ι durch die Welle 2 mit dem Schwungrad 3 verbunden, während · das Gleichstromnetz konstanter Spannung mit 4,5 «00 und die Last mit 6 bezeichnet ist. In dieser Einrichtung wird eine besondere Gleichstrommaschine 7 der Metadynebauart vorgesehen, die unmittelbar oder mittelbar von der Welle 2 angetrieben wird. Die primären Bürsten a, c i°5 der Metadyne liegen an dem Gleichstromnetz 4, 5, die sekundären Bürsten b, d an der Erregerwicklung 8 der Puffermaschine. Die Maschine 1 enthält ferner eine vom Belastungsstrom durchflossene Erregerwicklung 9, die in im der Maschine 1 ein generatorisches Drehmoment erzeugt.

Da bei konstanter primärer Spannung der sekundäre Strom der Metadyne 7 der Drehzahl derselben umgekehrt proportional ist, "5 wird die Erregung der Wicklung 8 sich umgekehrt mit der Drehzahl der Welle 2 ändern. Infolgedessen wird die Klemmenspannung der Maschine 1 unabhängig von der Drehzahl des Schwungrades 3 konstant bleiben. Die 12c Wicklung 9 regelt die Energieaufnahme und -abgabe des Schwungrades an das Gleich-

stromnetz. Die Einrichtung wirkt so, daß bei Last vergrößerung über einen bestimmten Wert, den Normalwert, die erzeugte Spannung der Puffermaschine größer wird als die des Gleichstromnetzes. Die Puffermaschine wirkt infolgedessen als Generator und gibt die in dem Schwungrad aufgespeicherte Energie bei gleichzeitigem Abfall der Schwungraddrehzahl an das Gleichstromnetz

ίο ab. Sinkt jedoch die Belastung unter den α ormalwert, so wird die Erregung der Puffermaschine selbsttätig verringert; die von der Puffermaschine erzeugte Spannung ist somit kleiner als die des Gleichstromnetzes. Die Maschine 1 wirkt damit als Motor, beschleunigt das Schwungrad und speichert in diesem Energie auf.

Zur Begrenzung des den Anker der Puffermaschine durchfließenden Stromes kann in diesem Falle zwischen die Puffermaschine und das Gleichstromnetz 4, 5 ein AViderstand oder, wie in Abb. 1 angedeutet, eine Hauptschlußwicklung 10 geschaltet werden.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung ist aus Abb. 2 zu ersehen. In dem Schaubild ist die von der Puffermaschine entwickelte Leistung N in Abhängigkeit von der Drehzahl η der Welle 2 aufgetragen. Den Zusammenhang zwischen der Leistung und der Drehzahl geben allgemein die Kurven I, II und III, die verschiedenen Belastungsströmen entsprechen. Die Kurven I und II gelten für Belastungsströme, die größer sind als der Normalwert, und die Kurve III für Ströme, die unter dem Normalwert liegen. Die gebrochene Linie gibt die Drehzahl an, unterhalb der die Maschine gesättigt ist. Durch die Sättigung bei niedriger Drehzahl der Puffermaschine wird ihre Erregung derart begrenzt, daß sie bei niedrigen Drehzahlen ständig als Motor wirkt und von dem Gleichstromnetz Leistung aufnimmt.

Eine derartige Wirkungsweise ist erwünscht, da sonst bei hoher Belastung die

♦5 gesamte Energie von dem Schwungrad unter gleichzeitiger Verzögerung des Stromes bezogen würde. Die Drehzahl würde somit auf Null zurückgehen. Außerdem würde die Puffermaschine, da das von ihr erzeugte Drehmoment ständig in derselben Richtung wirkt, als Motor das Schwungrad in entgegengesetzter Richtung antreiben, in dem Schwungrad Energie aufspeichern und dadurch die Belastung vergrößern.

Bei geringer Belastung wird das Schwungrad über eine zulässige Höchstdrehzahl beschleunigt werden. Es müssen daher Einrichtungen vorgesehen werden, welche z. B. durch Verkleinerung des motorischen Drehmomentes der Puffermaschine bewirken, daß die Höchstdrehzahl nicht überschritten wird.

Schließlich kann eine gewisse Mindesterregung vorgesehen werden, damit die Puffermaschine-ständig ein generatorisches Drehmoment entwickelt. Ferner kann ein Relais eingebaut werden, das von dem Ankerstrom der Puffermaschine betätigt wird und eine Vergrößerung der Erregung der Puffermaschine bewirkt, falls der Ankerstrom einen bestimmten Mindestwert unterschreitet.

In der Anordnung nach Abb. 1 ist eine weitere kleine Erregermaschine 11 vorgesehen, die von der Welle 2 angetrieben wird und die Erregerwicklung 12 der Puffermaschine speist. Diese entweder im Hauptschluß oder im Nebenschluß geschaltete Erregermaschine π ist derart angeordnet, daß -ihre kritische Drehzahl, d. h. die Drehzahl, oberhalb der die erzeugte Spannung plötzlich auf den normalen Wert ansteigt, gerade unter der zulässigen Höchstdrehzahl der Puffermaschine liegt. Die Wicklung 12 erzeugt in der Maschine I ein generatorisches Drehmoment, das gewöhnlich gleich Null ist. Beim Anstieg auf die zulässige Höchstdrehzahl ruft jedoch die Wicklung 12 in der Puffermaschine ein bremsendes Drehmoment hervor, das von der Erregung der Wicklungen 8, 9 und 10 unabhängig ist. Als zusätzliche Sicherung kann jede geeignete mechanische Schutzvorrichtung vorgesehen werden.

Eine ähnliche Einrichtung ist in Abb. 3 veranschaulicht. Die Belastung ist in diesem Falle nicht dargestellt. Die Puffermaschine 1 ist mit einer weiteren Wicklung 13 versehen, die an der Spannung des Gleichstromnetzes 4,5 liegt und auf die Puffermaschine ein motorisches Drehmoment ausübt, während die Hauptschlußwicklung 9 ein generatorisches Drehmoment hervorruft. Die von diesen beiden Wicklungen erzeugte relative Erregung ist so· groß, daß bei normaler Belastung die Erregungen dieser Wicklungen sich im Gleichgewicht halten.

Die Puffermaschine wird außerdem von der Wicklung 8 erregt und erzeugt eine der Spannung des Gleichstromnetzes genau gleiche Spannung. Die Puffermaschine wird somit unter Vernachlässigung der Verluste mit konstanter Drehzahl unbeschränkt weiterlaufen. Die Regelwirkung der Puffermaschine wird durch die Differenz der Durchflutungen der Wicklungen 9 und 13 erzielt, die sich entsprechend der Abweichung des Belastungsstromes von dem Normal wert ändert.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Abb. 4 dargestellt. Die als Stromregelwicklungen wirkenden Erregerwicklungen 9 und 13 sind in diesem Falle in der Erregermaschine 7 der Metadynebauart angeordnet. Im Ständer der Erregermaschine 7 kann eine Stromregelwicklung angeordnet werden, die

einen magnetischen Fluß erzeugt, der die von den primären und sekundären Änkerströmen der Metadyne erzeugten Flüsse derart unterstützt, daß der τοη den sekundären Bürsten abgenommene Strom verringert wird. Die PufEermaschine besitzt aus Stabilitätsgründen eine Gegenkompoundwicklung 14. Eine zusätzliche, kritisch erregte Erregermaschine 11 speist die Wicklung 15 der Metadyne 7 und to dient dem gleichen Zweck wie die Erregermaschine Ii mit der Wicklung 12 in Abb. 1. • In den folgenden Ausführungsbeispielen besteht die Puffermaschine aus einer Metadyne, wodurch keine besondere Erregermaschine der Metadynebauart erforderlich ist. Die primären Bürsten der Puffermaschine liegen an dem Gleichstromnetz, während die sekundären Bürsten kurzgeschlossen sind. Unter Vernachlässigung der Verluste wird die Puffermaschine gewöhnlich mit der gegebenen konstanten Drehzahl laufen. Die an die) primären Bürsten der Puffermaschine gelegte Netzspannung ruft einen primären Ankerstrom hervor, der einen primären Fluß erzeugt, der seinerseits an den sekundären Bürsten eine Spannung induziert. Da die sekundären Bürsten kurzgeschlossen sind, fließt ein sekundärer Strom durch! die Ankerwicklung und erzeugt einen sekundären Fluß, der an den primären Bürsten eine der Netzspannung entgegengesetzt gerichtete EMK induziert. Diese Spannung ist praktisch gleich der Netzspannung, da der primäre Strom nur die zum Aufbau des sekundären Feldes erforderliche Energie aufzubringen hat. Diese Energie kann z. B. etwa 3 °/₀ der N" ormalbelastung betragen. Derprimäre Strom ist somit von nur geringer Größe.

Das auf den Läufer der Metadyne wirkende resultierende Drehmoment setzt sich zusammen aus dem Drehmoment, das durch den primären Strom und den sekundären Fluß hervorgerufen wird, und dem Drehmoment, das durch den sekundären Strom und den primären Fluß erzeugt wird. Beide Drehmomente sind dem primären Strom proportional und somit von geringer Größe. Da die Drehmomente einander' entgegenwirken,, ist das resultierende Drehmoment gleich dem Differenzwert. Das eine Änderung der Drehzahl hervorrufende elektrische Drehmoment ist vernachlässigbar klein. Bei sehr kleinen Drehzahlen wird jedoch die Metadyne auf Grund ihrer magnetischen Sättigung ein großes motorisches Drehmoment entwickeln, da die Widerstände der primären und sekundären magnetischen Kreise infolge der magnetischen Sättigung verschieden groß sind. Um ein der Belastung entsprechendes Arbeiten der Metadyne zu erzielen, werden besondere Erregerein richtungen vorgesehen Die in Abb. 5: dargestellte Anordnung besteht aus einer mit einem Schwungrad 3 über die Welle 2 mechanisch .gekuppelten Puffermaschine 16 der Metadynebauart, deren primäre Bürsten a, c an dem Gleichstromnetz 4, S liegen und deren sekundäre Bürsten b, d kurzgeschlossen sind. Um die Puffermaschine entsprechend der Abweichung der Belastung von ihrem Normalwert in bezug auf Größe und Richtung zu regeln, enthält die Metadyne 16 eine an dem'Gleichstromnetz liegende Stromregelwicklung 17 mit annähernd konstanter Durchflutung und eine zweite, vom Belastungsstrom durchflossene Stromregelwicklung 18. Die Wicklungen 17 und 18 sind sogenannte primäre Regelwicklungen, d. h. die Wicklungen wirken in Richtung der primären Bürstenachse der Metadyne und erzielen die gleiche Wirkung wie die Wicklungen 9 und 13 in Abb. 3. Entnimmt der an das Gleichstromnetz angeschlossene Verbraueher dem Netz Leistung, so wirkt die Durchflutung der Wicklung 18 in derselben Richtung wie der primäre Läuferfluß der Metadyne, falls der primäre Strom in einer der Leistungsabgabe entsprechenden Richtung fließt.

Die in der primären Bürstenachse der Metadyne wirkende resultierende Durchflutung, ist gleich der Summe der Durchflutungen der Wicklung 18 und des primären Ankerstromes der Metadyne, verringert um die Durchflutung der Wicklung 17. Die resultierende Durchflutung ist gleich der Durchflutung, die der primäre Strom zur Herstellung des Gleichgewichtes erzeugen muß. Diese Bedingung kann durch die folgende Gleichung dargestellt werden:

wobei bedeuten: 6>₁₈ und Θ₁₇ die Durchflutungen der Wicklungen 18 und 17, J₁ den primären Strom der Metadyne, Ji₁ eine Maschinenkonstante, J'i den zum Aufbau des sekundären Feldes erforderlichen primären Strom.

Die von dem sekundären Fluß erzeugte primäre Gegen-EMK ist konstant, jedoch nicht die Drehzahl. Der primäre Strom J[ ist somit veränderlich, jedoch in jedem Falle vernachlässigbar klein, da das Produkt aus dem primären Strom und der angelegten primären Spannung annähernd! gleich ist der zur Erzeugung des sekundären Flusses erforderichen geringen Energiemenge.

Aus der obigen Gleichung ergibt sich somit unter Vernachlässigung von T₁

18 ._~_17_ h T

■—~~% ^κ·2' J-2 >

wobei k₂ eine zweite Maschinenkonstante und J₂ den Belastungsstrom bedeuten.

Die Metadyne kann so ausgelegt werden, daß k₂ gleich ι ist. Sodann ergibt sich

T - ^Θ" T Ji ——% Ji ·

^Äi

Diese Gleichung zeigt, daß die Metadyne so entworfen werden kann, daß sie sowohl oberhalb als auch unterhalb eines willkürlich gewählten konstanten Stromwertes von

der Größe —r^· genau arbeitet. Dieser kon-

K₁

stante Strom wird von der an das Gleichstromnetz 4, 5 angeschlossenen Energiequelle geliefert und ist innerhalb der Aufnahmefähigkeit des Schwungrades von der Größe der Belastung unabhängig. Eine derartige Arbeitsweise wird selbsttätig durch den Einfluß der Stromregel wicklung auf den primären Strom der Metadyne erzielt.

Die Wicklungen 17 und 18 können als sekundäre Stromregelwicklungen in der Richtung der sekundären Bürstenachse der Puffermaschine 16 oder derart angeordnet werden, daß die in der primären und sekundären Bürstenachse wirkenden Flüsse gemeinsam verringert werden.

Das in Abb. 6 dargestellte Ausführungsbeispiel enthält zur Herabsetzung des sekundären Stromes eine Erregerwicklung 19, über welche die sekundären Bürsten der Metadyne

16 kurzgeschlossen sind. Diese Erregerwicklung 19 erzeugt einen Fluß, der den von dem sekundären Strom erzeugten Fluß unterstützt.

Die Metadyne kann derart ausgelegt werden, daß der Differenzwert, um den der Belastungsstrom von dem Nominalwert abweicht, von der Metadyne geliefert wird. Bei der Einrichtung nach Abb. 5 und 6 schwankt die durch die Metadyne übertragene oder dem Schwungrad gelieferte Leistung mit dem Differenzwert und bleibt bei jeder zwischen der zulässigen Höchstdrehzahl des Schwungrades und einer gewissen Mindestdrehzahl

+5 liegenden Belastung konstant.

Die in Abb. 7 dargestellte Einrichtung enthält zwei sekundäre Stromregelwicklungen

17 und ιS, die in Richtung der sekundären Bürstenachse b, d wirken. Außerdem sind eine kritisch erregte Erregermaschine 11 und eine Erregerwicklung 12 ähnlich wie in Abb. 1 vorgesehen.

Das in Abb. 8 dargestellte Schaubild zeigt die Arbeitsweise der Einrichtungen nach den Abb. 4, 5, 6 und 7. Die aufgenommene bzw. die abgegebene Leistung N der Puffermaschine ist in Abhängigkeit von der Schwungraddrehzahl η aufgetragen. Die Geraden I, II, III und IV geben die Beziehung zwischen der aufgenommenen bzw. der abgegebenen Leistung und der Drehzahl.

bei: verschiedenen Belastungsströmen an. Die Kurven I und II gelten für über dem Normalwert liegende, die Kurven III und IV für unter dem Normalwert liegende Belastungen. Das Schaubild nach Abb. 8 berücksichtigt nicht die magnetische Sättigung.

Abb. 9 zeigt den Einfluß der Sättigung, Abb. 10 die Drehmomentdrehzahlkennlinie der Metadyne. Die gestrichelte Kurve (Hyperbel) stellt die Kennlinie bei Vernachlässigung der magnetischen Sättigung dar.

Die beschriebenen Einrichtungen sehen eine selbsttätige Regelung für 'diejenigen Fälle vor, in denen die Belastung sehr großen Schwankungen um einen Normal wert unterworfen ist. Die von der Energiequelle bezogene Leistung ist dann nur unwesentlich größer als der Normalwert. Der Differenzwert wird zur Deckung der Verluste benötigt. Das Speicherungsvermögen des Schwungrades muß so groß sein, daß die Spitzenbelastungen aufgenommen werden können.

In dem Schaubild der Abb. 11 ist die Leistung in Abhängigkeit von der Zeit t für einen bestimmten Fall aufgetragen. Die von dem Verbraucher aufgenommene Leistung in Kilowatt wird durch die Kurve α und die von der Hauptenergiequelle gelieferte, annähernd konstante Leistung durch die Kurve b dargestellt.

In dem Schaubild der Abb. 12 sind die entsprechenden Drehzahlwerte η der Puffermaschine in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen.

Häufig ist es erwünscht, daß die Belastung innerhalb von zwei gegebenen Grenzwerten bleibt, und daß außerhalb dieser Werte keine Belastungsspitzen auftreten. Ein derartiger Fall ist in dem Schaubild der Abb. 13 dargestellt. Die von dem Verbraucher aufgenommene Leistung in Kilowatt wird durch die Kurve α dargestellt. Es wird angenommen, daß Lastschwankungen zwischen ο und 500 kW zulässig sind, jedoch keine über diese Werte hinausgehenden Belastungsspitzen. Statt einer Normallastlinie wie die 500-kW-Linie in Abb. 11 ergibt sich nach Abb. 13 ein von ο bis 500 kW reichender Normallastbereich, dessen Mittelwerte bei etwa 250 kW liegt. Die Kurve α bezieht sich z. B. auf eine Wasserkraftanlage, die zwar bis zu einem bestimmten Höchstwert Energie abgeben, jedoch keine Energie aufnehmen kann. Um diese Forderung zu erfüllen, muß das Schwungrad derart wirken, daß die von der Energiequelle bezogene Leistung der Kurve b entspricht. Die Schwungraddrehzahl η ändert sich in der aus Abb. 14 ersichtlichen Weise. Diese Drehzahlzeitkennlinie entspricht der Kurve b in Abb. 13.

Durch die Anordnung verschiedener Ein-

richtungen spricht die Pufferniaschine auf Belastungen^ die zwischen den Beiden Grenzwerten liegen, z.B. zwischen Q und ^ookW entsprechend Abb. 1.3 und 14, nicht an, dagegen auf Belastungen, die über dem oberen und unter dem unteren Grenzwert liegen.

Liegt die Belastung innerhalb des angegebenen Bereiches, so kann Sorge getragen Werden, daß die Puffermaschine mit einer zwischen der Höchst- und der Mindestdrehzahl des §chwungrades liegenden Drehzahl läuft und daß somit das Schwungrad für eine neue Über- oder Unterlastspitze vorbereitet wird. :

Zu diesem" Zweck wird zur Erzeugung der von .der Belastung abhängigen Erregung der Puffermaschine außer einer auf die Belastung ansprechenden Erregerwicklung eine zusätzliche Wicklung vorgesehen, die an den Bürsten einer kleinen Erregermaschine Hegt, deren Erregung sich entsprechend, der Belastung ändert. Die Erregungen dieser beiden Wicklungen wirken einander derart entgegen, ' daß sie sich innerhalb des Normalbereiches ausgleichen. Außerhalb dieses_JBereiches tritt eine Sättigung der Erregermaschine ein, und die Erregung der von der Belastung abhängigen Wicklung der Puffermaschine überwiegt die Erregung .der von der Erregermaschine gespeisten zusätzlichen. Wicklung. Zu diesem Zweck erhält die Puffermaschine eine Erregerwicklung, mit der die Drehzahl der Metadyne geregelt werden kann. Abb. 15 zeigt eine derartige Einrichtung. Die Puffermaschine 16 ist wie in Abb. 5, 6 und 7 als Metadyne ausgebildet, in deren sekundärem Stromkreis eine Stromregelwicklung 19 liegt. Die Puffermaschine wird entsprechend der ■ Belastung durch eine sekundäre Stromregelwicklung 17, die an das Gleichstromnetz 4, S geschaltet istj ferner durch eine vom Belastungsstrom durchflossene primäre Stromregelwicklung 18 und durch eine zweite primäre Stromregelwicklung 20, die der Wicklung 18 entgegenwirkt und von einer sättigungsfähigen Erregermaschine 21 gespeist wird, erregt. Die Erregermaschine 21 besitzt eine vom Belastungsstrom durchflossene Erregerwicklung 22 und eine zweite, annähernd konstante Erregung liefernde Wicklung 22«, die_% von einer beliebigen Energiequelle gespeist wird. Die Metadyne .16 enthalt eine dritte, von einem konstanten Strom durchflossene Stromregelwicklung 23, mit der die Drehzahl der Metadyne eingeregelt werden kann. Die Erregermaschine 21 wird mit-annähernd konstanter Drehzahl, z. B. von der Welle 2, -angetrieben.

Wie bereits erwähnt wurde, wirken die δο Regelwicklungen 18 und- 20 "einander entgegen. In Abb, 16 ist die Durchflutung in AW in Abhängigkeit von dem die Wicklungen 22 und 18 durchfließenden Belastungsstrom / aufgetragen. Die Kurve α zeigt die Durchflutung der Wicklung 18 für positive und negative Belastungsströme, während die Linie b die von der Maschine' 21 gelieferte Spannung und somit die Durchflutung der Wicklung 20 für positive oder negative Stromwerte der Wicklung 22 darstellt. "^c

In dem Bereich I—II sind die Durchflutungen der Wicklungen 18 und 20 genau gleich, so daß die Belastung auf die Erregung der Maschine 16 in dem Bereich I-II nicht einwirken kann. Überschreitet der Belastungsstrom diese Grenzen, so tritt nur in der Erregermaschine 21 eine magnetische Sättigung ein, hingegen nicht in der Metadyne 16. Die Erregung der Wicklung 18 ruft infolgedessen außerhalb des Bereiches I—II die aus der Kurve c ersichtliche Wirkung hervor. Die Kurve c ist ein Maß für die von den Wicklungen 18 und 20 in der Metadyne 16 erzeugte" resultierende Durchflutung.

Durch Regelung des Erregerstromes der Wicklungen 23 und 22° kann die Ordinatenachse in Abb. 16 in jede Lage gebracht werden, z. B. in die durch die Linie III gekennzeichnete Lage.

° Ein weiteres Ausführungsbeispiel besteht darin, daß bei innerhalb des erwähnten Bereiches liegender Belastung die auf die Puffermaschine wirkende Erregung der Wicklung 20 größer ist als die Erregung der Wicklung 18. Das in deri Puffermaschine erzeugte Drehmoment wird sodann dem Drehmoment entgegenwirken, das durch die Erhöhung oder \⁷erringerung der Belastung über oder unter einen bestimmten Wert erforderlich wird, wodurch die Einrichtung auf eine weitere Spitzenbelastung vorbereitet wird.

Eine derartige Wirkungsweise ist in Abb. 17 dargestellt. Die Linie α stellt die Durchflutung der Wicklung 18 und die Linie b die Durchflutung der Wicklung 20 dar. Aus ^l°5 diesem Schaubild geht hervor, daß in jedem Punkt des Abschnittes I-II die Durchflutung der Wicklung 20 größer ist als die der Wicklung 18.

Um die Zahl der für die Puffermaschine selbst oder für die Erregermaschine der Puffermaschine erforderlichen Feldwicklungen zu verringern, kann eine einzige, auf die Belastung ansprechende Wicklung vorgesehen werden, die mit zwei Erregermaschinen hintereinandergeschaltet ist. Beide Erregermaschinen haben Erregerwicklungen, die an den Belastungsstromkreis angeschlossen werden. Eine der beiden Erregermaschinen kann magnetisch hochgesättigt werden, während die ändere verhältnismäßig ungesättigt bleibt. Die Wirkungsweise ist aus Abb. 16 und 17

ersichtlich. Die Linie α stellt in diesem Falle die von der ungesättigten Erregermaschine, die Kurve b die von der gesättigten Erregermaschine gelieferte Spannung und die Kurve c die resultierende Spannung und somit die auf die Puffermaschine wirkende Durchflutung der beiden hintereinandergeschalteten Erregermaschinen dar.

Abb. 18 zeigt eine Einrichtung, in der die

ίο beiden Erregermaschinen zu einer einzigen Maschine 24 vereinigt sind. Die folgenden Abb. 19 bis 23 beziehen sich auf dieses Ausführungsbeispiel.

Die Metadyne 16 besitzt nur eine primäre Stromregelwicklung 25, die an den Bürsten der Erregermaschine 24 liegt oder von zwei hintereinandergeschalteten Erregermaschinen gespeist wird. Die Maschine 24 oder die beiden Erregermaschinen werden von der vom Belastungsstrom durchflossenen Wicklung 26 und von einer von konstantem Strom durchflossenen Wicklung 2,J erregt. Die Erregung der Wicklung 27 bestimmt die Lage der Durchflutungskurve c und damit der Ordinatenachse des Schaubildes der Abb. 16 und 17.

Die beiden hintereinandergeschalteten Erregermaschinen können zu einer Maschine vereinigt werden, wie sie aus Abb. 19 zu ersehen ist. Die Erregermaschine 24· der Abb. 18 ist durch Abb. 19 veranschaulicht und besteht aus einem Anker 28 und einem Erregersystem 29. Dieses besteht aus zwei nebeneinanderliegenden Polen 30 und 31, die durch Anbringung von Nuten 32 magnetisch gesättigt werden, und zwei weiteren nebeneinanderliegenden, magnetisch ungesättigten Polen 33 und 34. Auf den Polen 30, 31, 33 und 34 sitzen die Erregerwicklungen für die beiden Erregermaschinen. Auf dem Anker der Maschine ist ein Bürstenpaar 35, 36 angeordnet, das mit der auf die Belastung ansprechenden Wicklung 25 der Puffermaschine in Abb. 18 oder mit einer Erregermaschine für die Puffermaschine verbunden ist. Selbstverständlich können auch andere Polzahlen gewählt werden. Die Maschine 24 wird mit annähernd konstanter Drehzahl in beliebiger Weise, z. B. von der Welle des Schwungrades, angetrieben. Eine derartige Antriebseinrichtung nach Abb. 18 ergibt bei geringeren Drehzahlen eine schwächere Wirkung, hat jedoch den Vorteil, daß alle Maschinen auf einer Welle sitzen. Überdies wird es gewöhn-Hch nicht wirtschaftlich sein, die Drehzahl des Schwungrades auf eine Drehzahl herabzusetzen, bei der eine derartige Schwächung der Wirkung bedenklich ist.

In einer anderen Ausführung der Maschine, welche die beiden hintereinandergeschalteten Erregermaschinen ersetzt, ist zwischen jedem Pol und dem Joch der Maschine ein. Luftspalt vorgesehen. Die Polspitzen sind mit dem Joch durch magnetische Teile verbunden, die derart beschaffen sind, daß sie unter bestimmten Bedingungen magnetisch gesättigt werden. Diese magnetischen Teile bilden einen magnetischen Nebenschluß, so daß der Fluß den Anker erst nach der Sättigung der magnetischen Teile durchsetzt. Die Maschine erzeugt deshalb erst nach "der Sättigung der Teile an ihren Bürsten eine Spannung. Damit ist die gewünschte Wirkung erreicht.

₄ Eine derartige Einrichtung ist für eine zweipolige Erregermaschine in Abb. 20 dargestellt. Der Anker ist mit 28 und die Bürsten mit 35, 36 bezeichnet. Zwischen den Polkernen 37 und dem Joch 38 ist je ein Luftspalt 39 vorgesehen. Jede Polspitze ist mit dem Joch 38 durch einen sättigungsfähigen, magnetischen Teil 40 verbunden. Die Erregerwicklungen für die Pole sind mit 41 bezeichnet.

In der in Abb. 21 dargestellten Maschine wird der magnetische Streuweg durch die magnetischen Teile 42 geschaffen, die den Teilen 40 in Abb. 20 entsprechen. Der wirksame Querschnitt des magnetischen Streuweges über die Verbindungsstücke 42 stellt einen beträchtlichen Teil des Hauptpolquerschnittes 43 dar. Der magnetische Kreis der Streuwege über jeden Teil 42 ist beinahe vollkommen, d. h. jeder Luftspalt in den Streu- \vegen wird gewöhnlich klein sein.

Der linke Pol in Abb. 21 wird durch die Spule 44, der rechte Pol durch die Spule 45 erregt. Zwischen den Polkernen 4.3, und dem Joch 38 sind Luftspalte 39 derart vorgesehen, daß sie von dem Hauptfluß Φ durchsetzt werden. Φ₅ ist der Streufluß in den Polteilen 42. Diese Maschine wirkt ähnlich wie die in Abb. 20 gezeigte Erregermaschine. An den Bürsten 35, 36 wird bei ungesättigten Teilen 42 nur eine geringe Spannung induziert. Bei eingetretener Sättigung wirkt die Maschine, was die weitere Vergrößerung des Flusses anbetrifft, ähnlich wie ein normaler Generator. Die resultierende; Kennlinie hat die Form der Kurve α in Abb. 22. In dem Schaubild nach Abb. 22 ist .die Spannung U in Abhängigkeit von der Durchflutung der Wicklungen 44 und 45 aufgetragen. Aus der Kurve ist zu ersehen, daß bis zu einem gewissen Wert der positiven oder negativen Durchflutung die erzeugte. Spannung klein ist. Über diesen Wert hinaus wächst die Spannung verhältnismäßig schnell.

Damit in einem gewissen Bereich um den Abszissenwert Null oder sogar um einen negativen Wert eine positive Spannung vorlianden ist, sind auf der Erregermaschine Wicklungen 46 und 47 vorgesehen, die den

Wicklungen· 44 und 45 entgegenwirken. Diese Wicklungen 46,47 erzeugen jederzeit einen Fluß, der an den Bürsten 35, 36 eine negative Spannung induziert. Die resultierende . 5 Spannung ändert sich mit dem Erregerstrom wie aus der Kurve b der Abb. 22 zu ersehen ist.

Die Abb. 23 zeigt die Verwendung einer Erregermaschine nach Abb. 19, 20 oder 21 in einer Puffereinrichtung ähnlich der in Abb·. 1 dargestellten. Die Puffermaschine 1 wird durch eine Wicklung 8 erregt, die an den sekundären Bürsten einer Erregermaschine 7 der Metadynebauart liegt. Die primären. Bürsten a, c der Metadyne sind mit den Bürsten der von der Welle 2 angetriebenen Erregermaschine 24 verbunden. Diese Erregermaschine ist entsprechend den Abb. ig, 20 oder 21 aufgebaut und.besitzt eine vom Belastungsstrom durchflossene Erregerwicklung 26 und eine konstant erregte Wicklung 27. Die Maschine 24 drückt den primären Bürsten a, c der Metadyne eine Spannung auf, die sich entsprechend dem Belastungsstrom nur außerhalb des Normalbereiches ändert. Innerhalb dieses Bereiches liefert die Erregermaschine keine Spannung.

Gemäß Abb. 23 besitzt die Puffermaschine 1 eine Wicklung 12, die von einer kritisch erregten Erregermaschine 11 zur Begrenzung der zulässigen Höchstdrehzahl der Puffermaschine gespeist wird, und eine stabilisierende Wicklung 10.

Abb. 24 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel der Erregermaschine nach Abb. 19, 20 und 21. Die Erregermaschine 28 liegt in dem sekundären Kreis einer als Metadyne ausgebildeten Puffermaschine und übt eine ähnliche Wirkung aus wie eine sekundäre Erregerwicklung.

Claims (9)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zur selbsttätigen Leistungsregelung von Puffermaschinen, die an ein Gleichstromnetz von annähernd konstanter Spannung angeschlossen und mit einem Schwungrad gekuppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß in der Puffermaschine (1) eine in dem sekundären Stromkreis einer Erregermaschine (7) der Metadynebauart, die mit ihren primären Bürsten an dem Gleichstromnetz liegt und mit einer der Drehzahl der Puffermaschine proportionalen Drehzahl umläuft, liegende Erregerwicklung (8) und in der Puffermaschine (1) oder in der Erregermaschine (7) der Metadynebauart oder in einer zusätzlichen Erregermaschine (24) eine in dem Belastungsstromkreis liegende Erregerwicklung (9 bzw. 26) vorgesehen sind.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Puffermaschine selbst als Metadyne, die mit den primären Bürsten an dem Gleichstromnetz liegt und durch den sekundären Läuferstrom erregt wird, ausgebildet ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundärseitig im wesentlichen kurzgeschlossene Metadyne mit einer weiteren, an dem Gleichstromnetz liegenden Erregerwicklung (17) versehen ist.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch i'bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Puffermaschine oder ihre Erregermaschine eine weitere Wicklung (20) besitzt, die der Hauptschluß wicklung (18) innerhalb eines bestimmten Lastbereiches ausgleichend entgegenwirkt und durch eine in Abhängigkeit von dem Belastungsstrom erregte und außerhalb des Normalbereiches im Sättigungsbereich arbeitende Erregermaschine (21) gespeist wird.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Puffermaschine mit einer fremderregten Wicklung (23) versehen ist, durch die die Drehzahl der Puffermaschine eingeregelt wird.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Puffermaschine oder ihre Erregermaschine eine Erregerwicklung (25) besitzt, die von zwei einander entgegenwirkenden und hintereinandergeschalteten Erregermaschinen gespeist wird, von denen die eine hochgesättigt und die andere verhältnismäßig ungesättigt ist und die beide im Belastungsstromkreis liegende Erregerwicklungen besitzen.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden hintereinandergeschalteten Erregermaschinen zu einer einzigen Maschine (24) mit stark gesättigten und ungesättigten Polen vereinigt sind (Abb. 19).
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden hintereinandergeschalteten Erregermaschinen zu einer einzigen Maschine vereinigt sind, deren Polkerne durch einen Luftspalt vom Joch getrennt und deren Polspitzen mit dem Joch durch magnetische Teile verbunden sind, die außerhalb des Bereiches, in dem die Pufferung erfolgt, magnetisch gesättigt sind (Abb. 20, 21).
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Puffermaschine mit einer drehzahlabhängigen Einrichtung verbunden ist, die eine Erregerwicklung (12) speist und eine Ver-

   ringerung des motorischen Drehmomentes in der Puffermaschine bewirkt, sobald die Drehzahl der Puffermaschine sich der zulässigen Höchstdrehzahl nähert.

   io. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als drehzahlabhängige Einrichtung ein kritisch erregter und mit der Schwungradwelle mechanisch verbundener Generator (n) dient, dessen kritische Drehzahl der für die Puffermaschine zulässigen Höchstdrehzahl entspricht.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen