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Mit Wechselstrommaschinen arbeitender Antrieb, bei dem zur Geschwindigkeitsregelung
des Motors die Drehzahl der Generatorantriebsmaschine verändert wird In elektrischen
Kraftübertragungen, bei denen der Generator wie der Motor ungefähr die gleiche Nennleistung
haben, beeinflussen Veränderungen der Belastung des Motors sehr stark die Spannung
des Generators. Ferner können bei konstanter Erregung des Generators Belastungsschwankungen
des Motors diesen außer Tritt fallen lassen (Synchronmotor) oder seine Leistung
herabsetzen (Induktionsmotor). Diese Gefahr ist besonders groß, wenn es sich um
solche Kraftübertragungen handelt, bei denen der Generator mit regelbarer Geschwindigkeit
angetrieben wird, wie es bei Schiffsantrieben der Fall ist, bei denen die Geschwindigkeit
des Motors durch Beeinflussung der Drehzahl der den Generator antreibenden Primärkraftmaschine
geregelt wird.
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Daher ist es sehr wichtig, beim Arbeiten des Motors die Annäherung
des Betriebszustandes an denjenigen Punkt zu erkennen, bei dem er außer Tritt fällt
oder bei dein seine Leistung nachläßt, d. h. es ist wichtig, die Überlastungsfähigkeit
des Systems zu erkennen. Wenn die Erregung der Maschinen proportional der Geschwindigkeit
oder der Frequenz gemacht werden kann, dann kann eine im wesentlichen konstante
Überlastungsfähigkeit aufrechterhalten werden. Um bei mit Wechselstrommaschinen
arbeitenden Antrieben der eingangs erwähnten Art die Überlastungsfähigkeit des Systems
zu überwachen, ist es bekannt, Anzeige- oder Regelinstrumente zu verwenden, mit
deren Hilfe die Erregung der Wechselstrominaschinen im Sinne einer Aufrechterhaltung
des stabilen Betriebes geändert wird. Zu diesem Zweck wird beispielsweise ein mit
zwei einander entgegenwirkenden Wicklungen versehenes Instrument verwendet, dessen
eine Wicklung von einem Strom durchflossen wird, der abhängig von dem Verhältnis
der Spannung zum Produkt der Frequenz mit einer mit steigender Frequenz abnehmenden
Größe, und dessen andereWicklung von einem Strom durchflossen wird, der vom Drehmomenteiner
der beiden elektrischen Maschinen abhängig ist. Die Schaltung des Regelinstrumentes
kann dabei so getroffen werden, daß es in einem bestimmten Frequenzbereich von dem
Verhältnis
abhängig ist und daß es in einem bestimmten höheren Frequenzbereich von dem Verhältnis
abhängig ist, wobei E die Spannung der Übertragung, f die Frequenz und s eine Veränderliche
ist, die mit steigender Frequenz abnimmt.
Erfindungsgemäß werden
Anlagen der obengenannten Art verbessert dadurch, daß ein von der Relativbewegung
des Motorläufers gegenüber dem Drehfeld des Generators abhängiges Relais als Schaltrelais
für das die Stabilität überwachende zur Regelung der Erregung .der Wechselstrommaschineu
dienende Instrument benutzt wird. Auf diese Weise kann man mit einfachen Schaltmitteln
erreichen, daß die Stabilität des Systems den wechselnden Betriebsbedingungen gut
angepaßtwird und daß die Stabilität insbesondere bei Manövern verstärkt wird.
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Es ist schon ein mit Synchronmaschinen arbeitender elektrischer Schiffsantrieb
bekannt, bei welchem die Erregung von Generator und Motor nach Maßgabe der tatsächlichen
Schlüpfung des Propellermotors beim Umsteuervorgang zwangsläufig gesteuert wird.
Dabei werden drei von Kreisscheiben beeinflußte Relais verwendet, die beim Umsteuern
so arbeiten, daß zur Abbremsung der Schiffsschraube gegenüber dem Kielwasser die
Motorfeldwickiung übererregt wird. Ferner wird mit dieser Einrichtung in Abhängigkeit
vom Umsteuervorgang eine Übererregung des Generators, eine Entregung des Motors
und schließlich wieder die normale Erregung von Generator und Motor vorgenommen.
Bei dieser bekannten, sehr verwickelten automatischen Schaltvorrichtung werden also
keine Schaltrelais verwendet für ein die Stabilität des Antriebes überwachendes
Anzeige- oder Regelinstrument, wie es für die Erfindung wesentlich ist.
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Das bei der Erfindung verwendete Schaltrelais kann dabei inverschiedenerWeise
arbeiten. Die Anordnung kann z. B. so ausgebildet sein, daß das Schaltrelais bei
Überschreiten einer bestimmten Relativgeschwindigkeit des Motorläufers gegenüber
dem Drehfeld des Generators ein Stabilitätsüberwachungsinstrument einschaltet. Das
Schaltrelais kann auch .dazu verwendet werden, bei Überschreiten seines Ansprechwertes
an Stelle eines während der normalen Fahrt eingeschalteten cos -Reglers ein Stabilitätsüberwachungsinstrument
einzuschalten. Eine andere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung besteht darin, daß
das Schaltrelais eine Stoßerregung für eine der Wechselstrommaschinen einschaltet;
was vorzugsweise dadurch geschieht, daß in an sich bekannter Weise die vom Stabilitätsüberwachungsinstrument
verstellten Feldreglerwiderständekurzgeschlossen werden. Man kann schließlich auch
die Anordnung so durchbilden, däß das Schaltrelais bei Überschreiten seines Ansprechwertes
die Empfindlichkeit des Stabilitätsüberwachungs-Instrumentes ändert.
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Die Figuren zeigen als Ausführungsbeispiele j der Erfindung Schaltbilder
für elektrische Schiffsantriebe. In Fig. i ist mit i der von einer nicht näher bezeichneten
Turbine angetriebene Synchrongenerator bezeichnet, dessen Drehzahl durch Änderung
der Dampfzufuhr aus der Leitung 29 mit Hilfe des Ventils 30 geregelt wird. Zur Betätigung
.des Ventils dient der Regler 31. Man kann das Ventil aber auch von Hand bedienen.
Über Leitungen 32, 33 und 34 ist mit dem Synchrongenerator i ein Asynchronmotor
2 verbunden. Ein zweiter Schleifringläufermotor 3 ist unmittelbar auf der Welle
des Asynchronmotors 2 angeordnet. Dieser Schleifringläüfermotor 3 dient dazu; -eine
schlupfabhängige Spannung zu liefern. Die Primärwicklung dieses Motors 3 ist über
die Leitungen 35, 36 und 37 an die Leitungen 32, 33 und 34 angeschlossen.
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Eine selbsterregte Erregermaschine 8 mit einer Feldwicklung 43 dient
.dazu, die Feldwicklung 39 des Synchrongenerators i zu erregen. Diese Erregung wird
mit Hilfe des vom Motor 7 angetriebenen Regelwiderstandes 16 verändert. Ein Instrument
9 ist über einen Spannungswandler 1o mit den Leitungen 33 und 34 verbunden. Dieses
Instrument besitzt einstellbare Widerstände; nämlich einen Ohmscheu Widerstand i
i, eine Induktivität 12 und eine Kapazität 13. Diese Widerstandsanordnung hat zur
Folge; daß das Bestreben des Zeigers des Instrumentes 9, im Sinne einer Verstärkung
der Generatorerregung ausgeschlagen, die bei kleiner werdender Frequenz mehr und
mehr steigt.
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Ein cos (p-Relais 17 ist an die Leitungen 32, 33 und 34 über
.die Leitungen 1.9, 2o und 21 und an den Stromwandler 18 angeschlossen. Dieses cos
W-Relais 17 wird daher abhängig von der Spannung .des Synchrongenerators i und dein
zum Asynchronmotor 2 fließenden Strom erregt: Ein Relais 4 ist über Schleifringe
mit,der' Sekundärwicklung des Motors 3 verbunden. Mit Hilfe der Relaiskontakte 44
und 49 wird das cos (p-Relais 17 so geschaltet, daß ies meinem bestimmten Arbeitsbereich
den Drehsinn des Verstellmotors 7 für den Regelwiderstand 16 regelt, außerhalb .dieses
Arbeitsbereiches ist das cos (p-Relais 17 abgeschaltet. Während des Manövrierens
-eines Schiffes muß die Geschwindigkeit zeitweilig sehr schnell geändert werden,
und infolgedessen besteht die Gefahr, daß der Motor kippt, was der Absicht des Steuermannes
bei Einleitung des Regelvorganges gerade zuwiderlaufen würde. Wenn man annimmt,
daß die Belastung ,des Asynchronmotors :2 und die Generatorfrequenz einen bestimmten
Wert haben und daß in :diesem Betriebszustand die Spannung am Relais 4 nicht ausreicht,
uni den Kontakt 44 zu öffnen, so bleibt der Kontakt
49 geöffnet.
Solange nun keine Änderung der Belastung, Frequenz oder Spannung auftritt, ist der
Zeiger des cos (p-Relais 17 in der gezeichneten Mittellage, und keine Änderung in
der Erregung der Feldwicklung 39 kann stattfinden, da der Verstellmotor 7 nicht
arbeitet.
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Wenn die Geschwindigkeit des Asynchronmotors 2 verringert wird, so
daß der Schlupf des Motors größer wird, steigt die Spannung am Relais 4. bis zum
Ansprechwert, so -daß nunmehr der Kontakt 49 geschlossen und der Kontakt 44. geöffnet
wird. Die im Stromkreis des Relais 4 liegende Induktivität 6 dient lediglich dazu,
in der Relaiswicklung einen Strom zu erzielen, der dem Verhältnis von Spannung zur
Frequenz proportional ist.
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Wenn die Drehzahl der Turbine gesteigert wird, vergrößert sich der
Schlupf, so daß ein entsprechender Spannungsabfall am Synchrongenerator r auftritt.
Da jedoch die Frequenz steigt, ändert sich bei geeigneter Wahl der Widerstände 1r,
12 und 13 die Klemmenspannung nicht in demselben Verhältnis, und infolgedessen wird
der Zeigerdes Vergleichsinstrumentes 9 nach links ausschlagen, so daß er den Kontakt
1q. berührt und dabei einen Stromkreis von der Erregermaschine ä über die Leitung
46, den Anker des VerstellmotOrs 7, die Feldwicklung 59 des Verstellmotors 7, die
Leitung 53, den Kontakt 1q., die Leitungen 5.4 und 55, .den Kontakt 49 und die Leitung
So zur Erregermaschine ä schließt. Der Verstellmotor 7 läuft an und verstellt den
Regelwiderstand 16 so, daß der im Stromkreis der Feldwicklung 39 liegende Widerstandsteil
verkleinert wird. Die Erregung des Synchrongenerators wird infolgedessen vergrößert
und die Überlastungsfähigkeit des Systems aufrechterhalten, obwohl eine Steigerung
des Momentes am Asynchronmotor 2 auftrat. Der Verstellmotor 7 verstellt den Widerstand
im Erregerstromkreis des Synchrongenerators r so lange, bis das Stabili-.- tsinstr-ument
9 in die gezeichnete -Nullage t zurückgeht und dadurch eine genügende Überlastungsfähigkeit
anzeigt, wobei nun die Geschwindigkeit des Motors, die Frequenz und die Spannung
des Systems gänzlich verschieden von denjenigen Werten sind, die vor dem Ansprechen
,des Stabilitätsinstrumentes 9 vorhanden waren.
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Wenn die Geschwindigkeit der Turbine verringert wird, nimmt der Schlüpf
ab, und der Zeiger des Instrumentes 9 macht .bei 15 Kontakt, so daß die Feldwicklung
56 des Verstellrnotors 7 erregt wird. Hierdurch verstellt der Motor -den Regelwiderstand
16 im entgegengesetzten Sinn. Auch dieser Regelvorgang dauert so lange, bis der
Zeiger des Instrumentes 9 wieder eine ausreichende Überlastungsfähigkeit anzeigt.
Das Vergleichs; instrument 9 ist vor allem von Nutzen, um während des Manövrierens
ein Kippen des Motors zu verhindern, wenn eine etwas größere Überlastungsfähigkeit
erforderlich ist.
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Währenddes Manövrierens wird die Dampfzufuhr zur Turbine gewöhnlich
von Hand gesteuert. Hierdurch besteht die Gefahr, daß der Regler falsch eingestellt
wird und infolgedessen der Motor trotzdem kippt oder das ganze System durch falsche
Betätigung des Ventils 3o stillgesetzt wird. Um dies zu vermeiden, schließt der
Kontakt d.9 des Relais q. einen Stromkreis für eine Verriegelungsvorrichtung 23
des Reglers 31 und des Ventils 3o. Durch Erregen -der Wicklung 47 dieser Verriegelungseinrichtung
wird ein Verriegelungshebel 5 r v in den Weg der Klinke 52 gelegt. Hierdurch wird
erreicht, daß der Regler 31 das Ventil 3o nicht völlig schließen kann.
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Während,der Kursfahrt ist--der Schlupf des Asynchronmotors 2 geringer,
und infolgedessen befindet sich das Relais 4 in der in Fig. r .dargestellten Lage.
Es ist jedoch auch in diesem Fall noch notwendig, eine genügende Überlastungsfähigkeit
aufrechtzuerhalten, obwohl diese Überlastungsfähigkeit kleiner sein kann als beim
Manövrieren. Um durch Änderung der Überlastungsgrenze den Wirkungsgrad des Systems
zu steigern, wird vom cos 9-Relais 17 der Verstellmotor 7 gesteuert, während das
Vergleichsinstrument 9 abgeschaltet wird und keinen Regelvorgang einleiten kann,
da .der Kontakt -.9 offen ist.
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Wenn beim Kursfahren Veränderungen-im Drehmoment auftreten, die auf
verhältnismäßig kleine Änderungen der Geschwindigkeit zurückzuführen sind, treten
entsprechende Änderungen im Leistungsfaktor des Systems auf. Solche Änderungen verändern
die überlastungsfähigkeit und sind auch unerwünscht, da es immer besser ist, den
Leistungsfaktor auf einem bestimmten Wert festzuhalten. Wenn der Leistungsfaktor
von dem vorbestimmten Wert abweicht, macht der Zeiger des cos (p-Relais 17 bei 22
oder 22' Kontakt, je nachdem, ob der-Leistungsfaktor niedriger oder höher ist als
.der vorbestimmte Wert. Bei niedrigerem Leistungsfaktor macht das Relais bei 22
Kontakt, so daß .die Feldwicklung 56 des Verstellmotors 7 eingeschaltet wird. Hierdurch
wird,die Erregung des Synchrongenerators r geschwächt, und .dadurch wird der Leistungsfaktor
auf den festgesetzten Wert zurückgebracht. Bei Erreichen dieses Wertes geht der
Zeiger des cos (p-Relais 17 in die gezeichnete Mittellage, so daß der Regelvorgang
unterbrochen wird. Bei zu großem Leistungsfaktor schließt sich der Kontakt 22',
und die Feldwicklung 59 wird erregt, was zur Folge hat, daß die Erregung des Generators
z
verstärkt wird, bis der Leistungsfaktor wieder den gewünschten
Wert hat.
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Beim Kursfahren arbeitet der Asynchronmotor beispielsweise gewöhnlich
auf dem Punkt 25 des in Fig. 4 dargestellten Kreisdiagrammes 24. Bei abnehmendem
Drehmoment bleibt der Leistungsfaktor zurück, und der Motor arbeitet dann auf Punkt
26 des Kreisdiagrammes 24. Da jedoch die Generatorerregung selbsttätig geschwächt
wird, ergibt sich ein neues Kreisdiagramm 27, das in Fig.4 ausgezogen gezeichnet
ist. Der Motor arbeitet dann am Punkt 28 des neuen Kreisdiagrammes 27 mit demselben
Leistungsfaktor wir vor dem Regelvorgang.
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Soweit in dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel für einen
Antrieb mit Synchronmotoren Einzelteile denen in Fig. i entsprechen, sind dieselben
Bezugszeichen verwendet: Wesentlich für die in Fig. 2 dargestellte Einrichtung ist
es, däß weder ein Vergleichsinstrument 9 und noch ein cos (p-Relais 17 vorgesehen
sind. Hier wird die gewünschte Wirkung vielmehr durch ein Wagenbalkenrelais 6o erzielt.
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Beim Manövrieren wird die linke Wicklung 64 des Wagenbalkenrelais
6o vom Spannungswandler 62 erregt. Das Wagenbalkenrelais wird ferner von den Leitungen
32 und 34 und dem Hilf ssynchrongenerator 67 erregt, und zwar enthält der Stromkreis
der rechten Wicklung 7o des Wagenbalkenrelais 6ö den Wandler 68 und die Induktivität
69.
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Der Hilfssynchrongenerator 67 ist so bemessen, daß er bei verschiedenen
Geschwindigkeiten im wesentlichen dieselbe Spannung hat wie der Hauptsynchrongenerator
i. Der Anker des Hilfssynchrongenerators liegt in Reihe mit dem Wandler 68 ,an den
Leitungen 32 und 34. Die auf die Wicklung 70 ausgeübte Kraft ist also eine
Funktion der vektoriellen Spannungsdifferenz zwischen den Spannungen des Hauptsynchrongenerators
i und des Hilfssynchrongenerators 67. Solange das Drehmoment am Synchronmotor 2`
so groß ist, daß nur eine normale mechanische Winkelverschiebung des Läufers in
bezug auf das im Motorständer umlaufende Drehfeld vorhanden ist, wird die Wirkung
auf die Wickrung 7o normal sein. Die Einstellung des Relais 70 ist so, daß
der Zeiger des Instrumentes bei Normalbetrieb in der gezeichneten Nullage ist.
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Wenn die vektorielle Differenz der Spannengen der beiden Generatoren
i und 67 steigt, näjnlich wenn der Läufer des Hilfsgenerators 67 sich weiter verschiebt
in bezug auf -das vom Hauptgenerator erzeugte Drehfeld, dann überwiegt die auf die
Wicklung 70 ausgeübte Kraft die auf die Wicklung 64 ausgeübte, welche abhängig ist
von der Spannung und der Frequenz des Hauptgenerators: Infolgedessen macht der Zeiger
71 Kontakt bei 72. Dieser Kontakt kommt nur zustände, wenn das Verhältnis der Spannung
zu einer Funktion der Frequenz niedriger ist als ein bestimmter Wert ,der Winkelverschiebung
des Läufers des Hilfsgenerators 67 zu seinem Drehfeld. Das Wagenbalkenrelais 6o
wirkt also als Stabilitätsmesser.
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Am Kontakt 72 wird ein Stromkreis von der Erregermaschine 8 durch
die Leitung 57, den Kontakt 72, .den Zeiger 71, die Leitungen 73 und 5o zur Erregermaschine
8 geschlossen, Infolgedessen verstellt der Motor 7 die Regelwiderstände 16 und 61
in dem Sinne, daß die Erregungen der Generatorfeldwicklung 39 und der Motorfeldwicklung
74 gesteigert und hierdurch im wesentlichen konstante Überlastungsfähigkeit aufrechterhalten
wird.
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Das in Fg. 2 dargestellte Relais 4 arbeitet, soweit die Kontakte 44
und 49 in Betracht kommen, genau so wie: das entsprechende Relais in Fig. i. Der
Kontakt 75 jedoch schließt sich nur beim Umkehren der Propellerdrehrichtung durch
geeignete, in der Figur nicht dargestellte Umkehrschalter. Bei solchem Umkehren
steigt die Spannung am Relais 4 beträchtlich, so daß sich die Kontakte 75 und 44
schließen und dabei die Regelwiderstände 16 und 61 kurzschließen. Beim Umkehren
werden infolgedessen beide Feldwicklungen 39 und 74 selbsttätig übererregt, und
die Überlastungsfähigkeit ist so in diesem Zeitpunkt stark vergrößert.
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Das in Fig. 3 ,dargestellte Beispiel ähnelt sehr der Ausführungsform
gemäß Fig. 2 mit der Ausnahme, daß für das Manövrieren und für das Kursfahren verschiedene
Überlastungsfähigkeiten vorgesehen sind. Dies wird erreicht durch Zusammenarbeit
des Relais 4 und des Wagenbälkenrelais 6o mit dem Wandler 68, der so ausgebildet
ist, daß er selbsttätig durch das Relais 4 umgeschaltet wird.
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Wenn .das Relais 4 beim Kursfahren in der gezeichneten Lage steht;
ist der Kontakt 78 geschlossen, während :beim Manövrieren der Kontakt 79: geschlossen
ist. Durch Schließen des Kontaktes 79 wird das Wagenbalkenrelais j 6o so umgeschaltet,
daß die Überlastungsfähigkeit vergrößert wird.