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Verfahren zur Schnellregelung der Spannung von gleichstromerregten
Wechselstrommaschinen bei plötzlichen Belastungsänderungen Es ist bekannt, daß Wechselstrommaschinen
sowohl synchroner wie asynchroner Bauart ihr Hauptmagnetfeld beim Auftreten eines
Belastungsstoßes, sei es ein Wirklast- oder ein Blindlaststoß, im ersten Augenblick
konstant halten und daß dieses Feld sich erst späterhin mit einer Geschwindigkeit
ändert, die seiner jeweiligen Zeitkonstanten entspricht. Diese °zeitweise Aufrechterhaltung
des Hauptfeldes erfolgt unter der transformatorischen Wirkung der Ständer- und Läuferwicklung
gegenüber Stromstößen, die im Läufer stets einen Gegenstrom zum plötzlich auftretenden
Ständerstrom hervorruft. Es sind Anordnungen bekannt, die es ermöglichen, diese
anfängliche Läuferstromeinstellung während der Dauer des Belastungsstoßes aufrechtzuerhalten,
so daß das Hauptfeld sich alsdann gar nicht mehr ändert. Die Klemmenspannung am
Generator oder an einem vorgeschalteten Transformator ändert sich dann nur um das
Maß der Streuspannungen.
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Es ist nun für viele Zwecke wünschenswert, das Magnetfeld oder die
innere EMK des Gerierators möglichst schnell um das Maß dieser Streufeldänderung
in der gleichen Richtung zu ändern, um die Klemmenspannung wieder auf den Sollwert
zu bringen und den Erregerstrom alsdann auf dem Wert zu erhalten, der diesem neuen
Generatorfeld entspricht. Dafür ist es nötig, im Falle einer Belastungszunahme die
folgenden Verstärkungen vorzunehmen z. Erregerstromverstärkung, die der den vermehrten
Eisenamperewindungen entsprechenden Sättigung des Generators entspricht; 2. zusätzliche
Erregeramperewindungen, die dem durch die erhöhte EMK der Maschine angewachsenen
Belastungsstrom entsprechen; 3. eine Spannungserhöhung an der Erregerwicklung, die
der Flußsteigerung entspricht. Die beiden ersten Strombeträge müssen für die Dauer
des Belastungsstoßes aufrechterhalten werden, sie können mit den üblichen Mitteln
der Erregerstromregelung leicht erzielt werden. Der unter 3 genannte Spannungsbetrag
braucht nur während der Feldänderungszeit zu wirken und muß relativ hoch sein, wenn
man die Änderungszeit auf ein möglichst geringes Maß bringen will. Das Höchstmaß
dieser Änderungsdauer ist im allgemeinen gegeben durch den vierten Teil der vollständigen
elektrischen Pendelungsdauer der Maschine. Denn man wünscht durch diese Art von
Stoßerregung die Maschine auch beim Eintreten schwerer Leistungsstöße mit den ihnen
folgenden Pendelungen in Tritt zti halten, und dies erfolgt nur dann wirksam,
wenn
das Feld bei der ersten Pendelauslenkung, also nach einer Viertelperiode Dauer,
bereits verstärkt ist: Gemäß dieser Erfindung soll der während der Flußänderung
erforderlichen Erregerspannung ein ganz bestimmter zeitlicher Verlauf gegeben
werden von einer derartigen Form, daß einerseits die gewünschte Zunahme des Hauptfeldes
innerhalb einerViertelperiode der elektrischen Pendelung der Maschine erreicht ist,
dali ferner ein ungewolltes Überregeln dieses Feldes vermieden wird, und daß anderseits
die maximal erforderliche Erregerspannung möglichst niedrig gehalten wird, um mit
einer geringen Modellgröße der Erregermaschine auszukommen.
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Um die Änderung des Flusses 0 zu erzielen, muß an der Erregerwicklung
nach Fig: i eine Zusatzerregerspannung
aufgebracht werden, deren Größe im Verhältnis zur stationären Erregerspannung
sich bestimmt, wenn man noch den der stationären Erregerspannung entsprechenden
Fluß 0o einführt zu
Darin ist mit T die Zeitkonstante des Generators bezeichnet.
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In der Fig. r ist i eine Wechselstrommaschine. Die Erregerwicklung
ist mit zu bezeichnet (zu möge gleichzeitig auch die Windungszahl dieser Wicklung
bedeuten). Die an der Maschine gelieferte Klemmenspannung möge E entsprechen. Die
Erregerspannung ist mit e, der Erregerstrom mit i,
der Widerstand der
Erregerwicklung mit r bezeichnet. a ist eine Nebenschlußerregermaschine, deren Feldwicklung
mit W bezeichnet ist (zu möge gleichzeitig auch die Windungszahl dieser
Wicklung bedeuten). Der Widerstand ist mit r', die Erregerspannung der Erregermaschine
mit e, der Strom mit j bezeichnet.
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Es ist bekannt, daß die Zeitkonstante des Generators sich nicht nur
nach der jeweiligen Erregerspannung, sondern auch nach dem Belastungszustand der
Ständerwicklung des Generators richtet und mit zunehmender Belastung kleiner und@kleiner
wird.
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Man kann die Erregerspannung e durch passendes Schälten von Widerständen,
Selbstinduktionen oder Kapazitäten im Erregerstromkreis des Generators ändern. Es
ist aber am bequemsten, sie direkt von Klemmen der Erregermaschine zu entnehmen
und ihre Veränderung durch Feldänderung der Erregermaschine zu erzielen wie in.
Fig. z. Zu diesem Zweck ist es nötig, die Spannung an der Erregerwicklung der Erregermaschine,
die im folgenden zur Unterscheidung kurz Nebenschlußwicklung genannt werden soll,
zu verändern. Bezeichnet man mit 9 den Fluß der Erregermaschine, so ist die Zusatznebenschlußspannung
Wenn man auch hier die dem stationären Zustand und seinem Nebenschlußstrom jo entsprechende
stationäre Nebenschlußspannung so-Y .i0 (5) einführt, so wird die jeweilige Zusatznebenschlußspannung
im Verhältniis zur stationären Nebenschlußspannung
Dabei ist noch statt des Flußverhältnisses das Verhältnis der Zusatzerregerspannung
zur stationären Erregerspannung eingeführt,: das mit demselben identisch ist oder
beim Vorhandensein erheblicher Spannungsabfälle durch Kompoundierung und ähnliche
Mittel identisch gemacht werden kann.
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Führt man nun in Gleichung (6) den Wert der Gleichung (3) ein, so
erhält man
Die Zusatznebenschlüßspannung hängt also in ihrem zeitlichen Verlauf von dem Produkt
der Zeitkonstanten der Erregermaschine und der Hauptmaschine und vom zweiten Differentialquotienten
der Feldänderung ab. Ihre Kurvenform ist also ziemlich empfindlich in bezug auf
die Hauptfeldänderung.
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Wenn man den Verlauf der Z_usatznebenschlußspannung frei wählt, so
ergibt sich nach Gleichung (6) der Verlauf der Zusatzerregerspannung zu
und damit der Verlauf des zusätzlichen Hauptflusses nach Gleichung (3) zu
Es ist nun vielfach üblich; der Nebenschlußwicklung zur Verstärkung des Hauptflusses
eine feste oder doch nahezu konstante Zusatzerregerspannung e, aufzudrücken, die
man eine
bestimmte Zeit -c werken läßt. Dann erhält man nach Gleichung
($) den Verlauf der Zusatzerregerspannung zu e.2 ei t für o<t<z:---.
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e, so T, , (zo) für o: ei ei -v -e
0 - so * Y7 Sie steigt also, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, während der
Zusatzerregungsdauer linear an und behält alsdann ihren Endwert bei. Für den Hauptfluß
ergibt sich nach Gleichung (9)
Sein Verlauf ist ebenfalls in Fig. 2- dargestellt. Man sieht, daß er zwar innerhalb
der Zeit c bis zu dem gewünschten Maß 4O angewachsen ist, falls man die Größe der
Zusatznebenschlußspannung (EZ) und ihre Wirkungsdauer x richtig gewählt hat, daß
er aber nach Beendigung der Stoßerregungsdauer weiter ansteigt und dabei über das
gewünschte Ziel hinausschießt. Man würde den Fluß nur dann auf seinem Sollwert halten
können, wenn man der Nebenschlußerregerspannung einen stoßartigen Gegenschlag gibt,
etwa so; wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Die Stärke dieser Gegenspannung auf die
Nebenschlußwicklung müßte z. B. das Zehnfache der ursprünglichen Nebenschlußzusatzspannung
betragen, wenn man die Zusatzerregerspannung in 1/1o der Zeit c wieder auf o bringen
will. Eine solche Regelung ist aber praktisch kaum durchführbar.
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Gemäß dieser Erfindung soll daher die Zusatzerregerspannung schon
vor dem Erreichen des Sollflusses de:rHauptmaschine wieder vermindert werden, etwa
so, wie es in Fig. d. dargestellt ist. Dazu ist stets ein rechtzeitig vor dem Erreichen
des Sollflusses der Hauptmaschine einsetzender Gegenschlag von Spannung an der Nebenschlußwicklung
erforderlich. Der Impuls aus Stärke mal Dauer des positiven und negativen Zusatzspannungsstoßes
an der Nebenschlußwicklung müssen unter sich gleich sein, wenn die Zusatzerregerspannung
wieder auf o zurückkehren soll; weiterhin muß der Impuls der Zusatzerregerspannung,
der durch ihre zeitliche Fläche gegeben ist, zahlenmäßig gleich dem Produkt des
Zusatzflusses mal Zeitkonstante sein, wenn man am Ende des Gegenschlags den gewünschten
Zusatzfluß in der Hauptmaschine erzielen will. Es ergibt sich also, daß die Zusatzerregerspannung
und auch die Zusatznebenschlußspannung richtig dosiert werden müssen, um den gewollten
Effekt der Feldverstärkung in einer bestimmten Zeit zu erreichen.
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Bei dem Verfahren nach Fig. ,4 braucht die Zusatzerregerspannung e,
nur den gleichen Betrag zu haben wie bei Fig. 3. Jedoch ergibt sich als notwendig,
daß die Zusatznebenschlußspannung a, einen größeren Betrag als in Fig. 3 besetzen
muß, weil die Zusatzerregerspannung in der gewünschten Zeit z sowohl herauf- wie
auch heruntergetrieben werden muß. Bei der Feldsteigerung nach Fig. 2 oder 3 ist
zur Erreichung einer Flußänderung d 0 entsprechend Gleichung (i i ) eine Nebenschlußzusatzspannung
erforderlich vom Betrage
Für eine günstigere Regelung, etwa nach Fig. q., muß die Zusatznebenschlußspannung
daher unbedingt erheblich größer als dieser Wert sein. Bereits für den Fall der
Fig. q., der günstig für eine geringe Zusatznebenschlußspannung ist, wird bereits
der doppelte Wert erfordert. Gemäß der Erfindung soll daher eine Zusatznebenschlußspannung
vom Betrage
zur Verfügung stehen. Dies läßt sich durch angemessene Ausführung der Nebenschlußwicklung
und ihrer Speisung stets erreichen.
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An Stelle des rechteckigen Verlaufs der Zusatznebenschlußspannung
kann man nach Fig.5 auch einen kosinusförmigen Verlauf vorsehen. Derselbe läßt sich
durch Einfügung von Kondensatoren in den Nebenschlußkreis leicht erzielen. Man erhält
dann an Stelle des früheren parabolischen Anstiegs nunmehr einen kosinusförmigen
Anstieg des Hauptflusses 0. Da die Sinusfläche der Zusatzerregerspannung in Fig.
5 völliger ist als die Dreiecksform in Fig. q. und diese Impulsfläche für die Flußänderung
maßgebend ist, so ist jetzt nur eine im Verhältnis iT,/d. geringere Zusatzerregerspannung
notwendig. Die Erregermaschine wird also bei dieser Form der Spannungskurven erheblich
kleiner. Die Zusatzspannung an ihrer Nebenschlußwicklung wird allerdings im Verhältnis
größer, jedoch ist dies durch geeignete Isolation oder niedrige Windungszahl mit
relativ einfachen Mitteln zu beherrschen.
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Läßt man die Zusatznebenschlußspannung geradlinig verlaufen wie in
Fig. 6, so erhält man eine parabolische Zusatzerregerspannung von noch geringerem
Betrage, und wenn man schließlich nach Fig.7 die Zusatznebenschlußspannung in Form
von zwei Einzelstößen von
sehr kurzer Dauer erzeugt, die einen entsprechend
hohen Betrag haben müssen, so erhält man einen trapezförmigen, also nahezu konstanten
Verlauf der Zusatzerregerspannung und unter gleichen Verhältnissen eine kleinstmögliche
Modellgröße der Erregermaschine. Dieselbe muß nur in der Isolation ihrer Nebenschlußwicklung
einer sehr hohen Zusatzspannung gewachsen sein.
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In allen Figuren sind Zahlenwerte eingeschrieben, um dieselben quantitativ
besser vergleichen zu können. Die Zahlen beziehen sich auf eine FluBänderung von
d 0 = 15 °(o, eine Zeitkonstante der Wechselstrommaschinen von T = 5 Sek.,
der Erregermaschine von T' = o,5 Sek. und eine Regeldauer von =1j4 Sek.
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Entgegengerichtete Doppelschläge der Nebenschlußzusatzspannung, wie
sie in dieser Erfindung zur guten Spannungsregelung notwendig sind, lassen sich
durch Zusammenstellung bekannter Mittel erzielen. Fig.8 zeigt als Beispiel, wie
die Nebenschlußwicklung n oder ein Teil derselben von einer Spannungsquelle q über
einen Kondensator C und ein Ventil v1 mit Hilfe des Schalters s geladen werden kann.
Bei Einlegen des Schalters bei ungeladenem Kondensator springt die Spannung an der
Wicklung plötzlich an und vermindert sich nach Maßgabe der allmählichen Ladung des
Kondensators durch den Zusatzerregerstrom. Es setzt eine Schwingung zwischen C und
3t ein, derart, daß eine Überladung des Kondensators stattfindet, wobei der Strom
allmählich wieder abnimmt. Diese Überladung des Kondensators, die bis auf den doppelten
Betrag der Batteriespannung ansteigt, ist darauf zurückzuführen, daß zunächst beim
Schließen des Schalters s und beim Ansteigen des Stromes in der Wicklung tt die
Spannung an der Wicklung der Batteriespannung entgegengerichtet ist. Wenn aber der
Strom in der Wicklung ra abnimmt und schließlich durch Null hindurchgeht, so ist
die Spannung an der Wicklung it mit der Batteriespannung gleichgerichtet, so daß
an den Klemmen des Kondensators C die Summe dieser beiden Spannungen, also die doppelte
Batteriespannung auftritt. Die Spannung an der Wicklung n verläuft dann genau nach
der Kosinuskurv e der Fig. 5. Wenn sie ihren unteren Maximalwert erreicht hat, durchschreitet
der Strom den Null`,vert, und man kann durch Einfügung eines sperrenden Ventils
seinen Rückfluß abschneiden.
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Entlädt man den Kondensator über ein anderes Ventil v2 durch Umlegen
des Schalters s, so. erhält man wieder eine Halbwelle des Stromes und der Zusatzerregerspannung,
diesmal sogar von doppelter Größe, wie aus der vorausgegangenen Betrachtung hervorgeht.
Wenn man die Eigenschwingungsdauer von C und it auf das Doppelte der Erregungszeit
x abstimmt, so hat man also durch diese beiden Schaltmanöver zuerst eine Feldänderung
des Hauptgenerators um -1- A 0 und alsdann um - 2 d 0 erzielt. Die Schaltspannungen
wählt man zweckmäßigerweise proportional der Änderung des inneren Blindstromes im
Generator, durch den ja die Streuspannungsabfälle verursacht werden. Beispielsweise
kann man die Schaltspannungen leicht durch Gleichrichtung des Blindstromes von Stromwandlern
gewinnen, so daß sie stets eine zweckmäßige Größe besitzt.
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Man kann ferner noch eine Korrektur entsprechend der #lnderung der
Zeitkonstanten T mit dem Belastungszustand des Generators einfügen.
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Da die Zusatznebenschlußspannung entsprechend den Fig. 3 bis 7 stets
eine Wechselspannung ist, so braucht man sie ihrem Stromkreise nicht durch Leitung
zuzuführen, sondern man kann sie dem Nebenschlußkreise transformatorisch induzieren,
etwa nach dem Schema der Fig. g. Dadurch kann man leicht die erforderlichen sehr
hohen Spannungen in der Nebenschlußwicklung herstellen, ohne daß sie die sonstigen
Arbeitskreise stören können. Wenn man allerdings die N ebenschlußwicklung nicht
übermäßig hoch isolieren will, so kann es zweckmäßig sein, dieselbe für den stationären
Betrieb nur von einer sehr niedrigen Spannung speisen zu lassen, etwa nach Fig.
1o von einer Hilfserregertnaschine aus, und nun die Zusatzerregerspannungsstöße
von einer höheren Spannung aus zu speisen, etwa von der Spannung der Erregermaschine
selbst.
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Nun ist aber die Zeitkonstante T der Wechselstrommaschine bei Leerlauf
derselben relativ klein, bei starker Belastung dagegen sehr groß. Um daher die nach
Gleichung (i3) erforderliche Korrektur der Zusatznebenschlußspannung entsprechend
der Zeitkonstante T selbsttätig durchführen zu können, empfiehlt es sich nach Fig.
to, die Spannung der Erregermaschine etwa als Gegenspannung zu einer sonstigen konstanten
Spannungsquelle zu benutzen, so daß die zur Verfügung stehende Schaltspannung immer
nahezu proportional der Zeitkonstante der Wechselstrommaschine ist. Man kann zu
demselben Zweck auch die ZusatznebenschluBspannung von einer besonderen Erregermaschine
entwickeln lassen, die direkt oder indirekt vom Erregerstrom oder vom Wechselstrom
der Hauptmaschine oder deren Komponenten erregt wird.
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Es ist nicht notwendig, daß der Doppelschlag genau gleich groß oder
gleichgeformte positive und negative Teile besitzt. Man kann statt dessen auch einen
oszillatorischen, gedämpft
abklingenden Spannungsschlag als Zusatznebenschlußspannung
benutzen, dessen gesamte positiven und negativen Teile einander einigermaßen die
Waage halten. Alsdann wird der Fluß der Wechselstrommaschine zeitweise ein wenig
übergeregelt, was im allgemeinen keinen schädlichen Einfluß hat. Selbst ein dauerndes
kleines Überregeln wird für die meisten Verwendungszwecke nicht schädlich, sondern
eher nützlich sein. Die Dämpfung einer solchen oszillatorischen Zusatznebenschlußspannung
kann nahezu oder ganz bis zum aperiodischen Fall verstärkt werden, wenn man das
Überschwingen zu vermeiden wünscht.