DE638998C - Anordnung zur Erzielung einer stabilen Regelung bei selbstaendigen selbsterregten elektrischen Stromerzeugern bei Belastung - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß es bei Erregermaschinen, z. B, bei Gleichstromnebenschlußerregermaschinen, häufig Schwierigkeiten bereitet, in dem unteren Spannungsregelbereich eine stabile Arbeitsweise der Maschine zu erzielen. Dies beruht darauf, daß die Spannungscharakteristik des Nebenschlußkreises (Widerstandsgerade) eine Gerade durch den Nullpunkt darstellt, und daß die Spannungscharakteristik der Maschine in ihrem unteren Bereich ebenfalls linear verläuft. Hieraus ergibt sich, daß entweder in dem unteren Regelbereich der Maschine überhaupt kein stabiler Betrieb möglich ist oder daß die Spannungsänderungen in Abhängigkeit von dem in den Erregerstromkreis der Maschine eingeschalteten Widerstand außerordentlich groß sind, so daß einer geringen Widerstandsänderung in dem Erregerstromkreis der Maschine eine große Spannungsänderung in dem an die Erregermaschine angeschlossenen Stromkreis entspricht. Willkürliche Drehzahlschwankungen wirken sich bekanntermaßen in gleicher Weise aus wie entsprechende Änderungen des Widerstandes im Erregerkreis.

Zu den vorstehenden Erwägungen sei bemerkt, daß bei derartigen Anlagen der Generator in der Regel mit einer konstanten Drehzahl angetrieben wird.

Um nun die angegebenen Nachteile zu vermeiden, hat man bereits zahlreiche Maßnahmen vorgeschlagen, durch die eine derartige Beeinflussung der Spannungscharakteristik der Maschine erzielt wird, daß diese in jedem Falle auch im unteren Bereich einen wesentlich anderen Verlauf hat als die Spannungscharakteristik des Erregerkreises, so daß unter allen Umständen ein stabiler Betrieb auch im unteren Spannungsregelbereich möglich ist und auch in diesem Bereich eine verhältnismäßig feinstufige Regelung des Stromes erzielt werden kann. Beispielsweise hat man durch. Aussparungen oder Verengungen im aktiven Eisen erreicht, daß schon bei kleinen Erregungen die Maschine wenigstens teilweise in ihrem magnetischen Kreis erheblich gesättigt ist, wodurch eine Krümmung der Leerläufcharakteristik in ihrem unteren Teil bewirkt wird. Bei anderen Anordnungen, z. B. Spaltpolmaschinen usw., sind besondere Schaltungen für den Erregerkreis vorgesehen. Alle diese Maßnahmen bedingen Sonderausführungen der Maschine und sind in der Regel nur für Gleichstrommaschinen und meistens nur in Spezialfällen anwendbar.

Gemäß der Erfindung wird nun auf wesentlich einfachere Weise ein stabiler Betrieb von selbständigen, also nur aus Generator und

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dr.-Ing. Friedrich Stier in Berlin-Wilmersdorf.

Antriebsmotor bestehenden selbsterregten Gleich- oder Wechselstromgeneratoren (z.B. in der Verwendung als Erregermaschinen) mit Nebenschluß-, Reihenschluß- oder induk-_;, tiver Erregung bei Belastung dadurch exp, reicht, daß die Drehzahl des Antriebsmotors,';·

leiciiL, uao uie urenzaru ues Antrieusmoror^ :.»;·. »ig. ι zeigt aie Jtvennnnien eines gewonndes'Generators von der Belastung des Gene-'^Wffehen Gleichstromnebenschlußgenerators, der

rators stark abhängig gemacht wird. Dabei kann weiterhin mit Vorteil die Drehzahl derart von der Belastung abhängig gemacht werden, daß die die Stabilität des Generators kennzeichnende Größe

dU Änderung der Klemmenspannung

dr Änderung des Widerstandes

nach einem vorgeschriebenen Gesetz verläuft, z. B. nach der Gleichung

oder

dU

dr

dU

:h-r,

worin α und b Konstante bedeuten.

Sofern die zu „ regelnden selbsterregten Generatoren als Erregermaschinen für irgendeine Hauptmaschine verwendet sind, speisen die selbsterregten Generatoren also beispielsweise die Erregerwicklung dieser Hauptmaschine und außerdem über einen regelbaren Widerstand ihre eigene Erregerwicklung, und im übrigen sind sie-mechanisch mit dem Antriebsmotor verbunden, der seinerseits entweder als Asynchronmotor, als fremderregter Gleichstrommotor, im Nebenschluß erregter Gleichstrommotor mit Widerständen im Läuferkreis bzw. Ankerkreis oder als Drehstromreihenschlußmotor usw. ausgeführt ist und hierbei derart ausgelegt ist, daß sich eine . stark belastungsabhängige Drehzahlcharakteristik ergibt.

Da die Abhängigkeit der Drehzahl des Generators von der Belastung nur für den unstabilen Spannungsbereich erforderlich ist, so kann man, wie es für andere Stabilisierungsanordnungen bereits vorgeschlagen worden ist, die Einrichtung zur belastungsabhängigen Veränderung · der Drehzahl des Antriebsmotors im stabilen Spannungsbereich unwirksam machen. Dies ist besonders vorteilhaft für den Fall, daß^; die Veränderung der Drehzahl der Antriebsmaschine durch verlustbringende Widerstände erzielt wird. Bei Verwendung von Drehstromreihenschlußmotoren als Antriebsmotor für die Generatoren bzw. Erregermaschinen, die nach dem Vorschlag der Erfindung mit belastungsabhängiger Charakteristik arbeiten, kann mit Vorteil die Spannungsregelung ausschließlich mittels Drehzahlregelung durch Bürstenverschiebung vorgenommen werden, weil der Reihenschlußmotor in jeder Bürstenstellung Reihenschlußverhalten aufweist.

Ji'.v" „fm folgenden sei die Erfindung näher an

;.jfiäji<l eines; Beispiels erläutert.

SfS ι zeigt die Kennlinien eines gewöhn-

mit konstanter Drehzahl angetrieben wird. Bei Belastung auf einen konstanten äußeren Widerstand erfolgt die Regelung der Spannung des Generators und damit des Belastungsstromes durch einen in den Erregerstromkreis der Nebenschlußmaschine eingeschalteten Widerstand. Mit I ist die Leerlaufcharakteristik der Maschine dargestellt, d. h. die Klemmenspannung U in Abhängigkeit vom Erregerstrom i. Die Kurve besitzt, je nachdem, ob man aufwärts oder abwärts regelt, einen etwas verschiedenen Verlauf. Die Kurve für Aufwärtsregelung ist durch den aufwärts gerichteten Pfeil, die Kurve für Abwärtsregelung durch den abwärts gerichteten Pfeil bezeichnet. Die Kurve II stellt die Klemmenspannung U in Abhängigkeit von dem in den Erregerstromkreis der Nebenschlußmaschine eingeschalteten Widerstand r dar. Man erkennt leicht, daß in einem bestimmten Teil des Regelbereichs mit geringen Änderungen des Widerstandes außerordentlich große Spannungsänderungen verbunden sind. Innerhalb dieses Bereiches ist eine einwandfreie Regelung der Maschine praktisch überhaupt nicht zu erzielen.

Es sei bemerkt, daß die Kurven in Fig. 1 der Zeichnung an einem Gleichstromgenerator von 22 kW bei 100 V Spannung aufgenommen sind, der mit konstanter, von der Belastung unabhängiger Drehzahl (n = 880 Um dr ./Min.) angetrieben wurde. In den äußeren Stromkreis des Generators war ein Belastungswiderstand von 0,43 Ohm eingeschaltet.

In Fig. 2 sind nun Schaubilder für die gleiche Maschine aufgetragen, wobei sich jedoch die Drehzahl in Abhängigkeit von der Belastung gemäß der Erfindung stark ändert. Der Nebenschlußgenerator war dabei durch einen fremderregten Gleichstrommotor angetrieben, vor dessen Anker ein Widerstand eingeschaltet war. Die Spannung und der Vorschaltwiderstand waren dabei so gewählt, daß sich die Drehzahl zwischen Leerlauf und Vollast von η = ΐζιο Umdr./Min. auf η = 890 Umdr./Min. änderte. Entsprechend der Schaltung des Antriebsmotors war bei dieser Anordnung die Drehzahl linear vom Drehmoment des Antriebsmotors abhängig.

D'ie Kurve I bedeutet in diesem Schaubild wiederum die Klemmenspannung des Generators in Abhängigkeit von dem Erregerstrom i.

Die Kurve II stellt die Klemmenspan-

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nung U in Abhängigkeit vom Widerstand r im Erregerstromkreis der Nebenschlußmaschine dar. Man erkennt leicht aus diesem Diagramm, daß in dem ganzen Regelbereich die Änderung der Spannung für eine bestimmte Änderung des Widerstandes verhältnismäßig kleine Werte annimmt, daß also

der Difrerentialquotient-p- stets einen brauchbaren endlichen Wert besitzt. Ohne weiteres kann also, wie insbesondere aus der Kurve II der Fig. 2 hervorgeht, bei einem derartigen Aggregat in dem ganzen Spannungsregelbereich ein stabiler Betrieb erzielt werden.

Vergleichsweise ist in Fig. 3 der Differenzenquotient

Δ U Änderung der Klemmenspannung
Ar Änderung des Widerstandes

im Erregerkreis in Abhängigkeit von der Klemmenspannung der Maschine für die beiden Fälle aufgetragen, bei denen einmal die Drehzahl des Nebenschlußgenerators konstant . (Kurve A) oder in der angegebenen Weise veränderlich ist (KurveB).' Während innerhalb eines begrenzten Spannungsbereichs bei Antrieb des Generators mit konstanter Drehzahl die Spannungsänderungen außerordentlich groß sind, tritt, sobald ein Antriebsmotor mit veränderlicher Drehzahl verwendet wird, keine so wesentliche Steigerung

des Wertes ~j— innerhalb des gesamten Regelbereichs auf.
Wie man aus Fig. 3 weiterhin ersieht, ist

Λ T^T

die Größe -p-, die ein Maß für die Stabilität der Spannungsregelung ist, in hohem Maße von der Drehzahlkennlinie abhängig. Man ist unter Umständen für den Fall, daß für den

Generator die Größe —-.— aus besonderen

Gründen von vornherein vorgeschrieben ist, gezwungen, für den Antriebsmotor eine ganz bestimmte Abhängigkeit der Drehzahl von der Charakteristik zu wählen.

Die Erfindung kann bei selbsterregten Gleichstromerregermaschinen von Synchronmaschinen Anwendung finden. Sie ist aber keineswegs auf Gleichstrommaschinen beschränkt, sondern kann ebenfalls bei Wechselstrommaschinen Anwendung finden, z. B. bei Generatoren mit induktiver Erregung, d. h. bei Wechselstromkommutatormaschinen, bei denen eine leitende Verbindung zwischen Erregung und Kommutatorwicklung nicht besteht. Bei Wechselstromkommutatormaschinen ist die praktische Verwendung der Erfindung von besonderer Bedeutung, da bei diesen nicht so einfache Mittel zur Verbesserung der Stabilität wie die für Gleichstromnebenschlußmaschinen bisher vorgeschlagenen Anordnungen (z. B. Spaltpole) angewendet werden können.^r

Die Erfindung kann noch in verschiedener Weise weiter ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Drehzahl des Antriebsmotors der selbsterregten Maschine unmittelbar in Abhängigkeit von dem Erregerwiderstand in dem Erregers tr omkrei s verändert werden. In diesem Fall braucht man nur ein Regelorgan zur Beeinflussung der Drehzahl des Antriebsmotors mechanisch mit dem Betätigungsorgan des Regelwiderstandes im Erregerstromkreis des selbsterregten Generators zu verbinden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Erzielung einer stabilen Regelung bei selbständigen selbsterregten elektrischen Stromerzeugern bei Belastung, insbesondere bei Erregermaschinen für Gleichstrommaschinen sowie für synchrone und asynchrone Wechselstrommaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß' die selbsterregten Stromerzeuger mit einer Drehzahl angetrieben werden, die mit wachsender Belastung der Stromerzeuger stark abfällt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch go gekennzeichnet, daß als Antriebsmotor für den selbsterregten Generator ein Asynchronmotor mit Widerstand im Läuferkreis, ein Gleichstromnebenschlußmotor mit Widerstand im Ankerkreis oder ein Motor mit Reihenschluß verhalten verwendet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 an selbständigen selbsterregten Generatoren, deren Spannung (U) durch Änderung des den Erregerkreis beeinflussenden Widerstandes (r) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß diese Generatoren mit Antriebsmotoren gekuppelt sind, deren Drehzahl in Abhängigkeit von der Belastung so verläuft, daß die die Stabilität des Generators kennzeichnende Größe

dU /Änderung der Klemmenspannung \ dr \ Änderung des Widerstandes / in einem möglichst großen Bereich nach einem vorgeschriebenen Gesetz verläuft.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung des selbsterregten Generators durch Drehzahlregelung mit Hilfe eines regelbaren Motors eingestellt wird, der auf jeder Regelstufe Reihenschlußverhalten aufweist.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsregelung nur innerhalb des

unteren Spannungsregelbereichs durch-Änderung der Drehzahl des Antriebsmotors vorgenommen wird.

6. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der An-" triebsmotoren, bezogen auf konstantes Moment, zwangsläufig bei Änderung des den Erregerstromkreis der selbsterregten Generatoren beeinflussenden Widerstandes

" verändert wird.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen