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Einrichtung zur stabilen Regelung der Spannung eines kondensatorerregten
Asynchrongenerators Bekanntlich kann man einen normalen Asynchronmotor als selbsterregten
Wechselstromgenerator betreiben, wenn z. B. durch Parallelschalten von Kondensatoren
dem Stator soviel kapazitive Blindleistung zugeführt wird, daß dadurch die induktiven
Verluste in der Maschine (Magnetisierung, Streuung) kompensiert werden. Für die
weiteren Betrachtungen sei angenommen,daß das von dem Asynchrongenerator gespeiste
Netz nur Wirkleistung verbraucht oder anderweitig in bekannter Weise so kompensiert
ist, daß es als reine Wirklast (cos p = i) auf den Generator wirkt, ferner daß der
Generator mit gleichbleibender Umlaufzahl angetrieben wird.
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Ist der Kondensator groß genug, d. h. ist die Eigenfrequenz
f (des aus dem Kondensator und der Induktivität der Maschine gebildeten,
Schwingungsgebildes
wobei C die Kapazität des Kondensators, L die wirksame Induktivität des Generators
und f, die der Umlauf- und Polzahl entsprechende synchrone Frequenz bedeuten, so
erregt sich der Generator bis zu einer bestimmten Spannung und behält diese Spannung
bis auf einen durch :die Verluste im Generator gegebenen Spannungsabfall auch bei,
wenn er belastet wird. Eine Erhöhung der Klemmenspannung des Generators im Leerlauf
oder unter Last durch Änderung des Kondensators ist nur unter Aufwand übermäßig
großer Zusatzkondensatoren und nur beschränkt erreichbar. Das Herunterregeln der
Spannung ist ebenfalls nur in kleinen Grenzen möglich; unter einem gewissen Wert
wird die Spannung unstabil und bricht plötzlich zusammen. Der normale selbsterregte
Asynchrongenerator arbeitet ähnlich wieder Gleichstromnebenschlußgenerator nur im
Sättigungsbereich seiner Magnetisierung stabil und eignet sich nicht für Verhältnisse,
die einen großen Regelbereich der Spannung erfordern, wie beispielsweise unter Zwischenschaltung
von Gleichrichtern als Erregermaschine von Synchrongeneratoren.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen selbsterregten
Asynchrongenerator, der bei einer gegebenen Umlaufel
zahl und Nennspannung
stabil arbeitet, bei gleichbleibender Umlaufzahl in weiten Grenzen in der Spannung
herabzuregeln, ohne daß er seine Stabilität verliert. Dies geschieht erfindungsgemäß
dadurch, daß die gleichstromvormagnetisierte Drosselspule, deren Vormagnetisierung
in Abhängigkeit von der Spannung geändert wird, zu -,dem Erregerkondensator parallel
geschaltet ist und ihre Vormagnetisierung über Elemente mit eindeutiger Stromdurchlaßrichtung
in Gleichrichterschaltung, beispielsweise über Stromrichter, mittelbar oder unmittelbar
mit der Klemmenspannung des Asynchrongenerators oder des Kondensators oder mit dem
Kondensatorstrom fest oder regelbar gekuppelt ist.
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Die zu den Klemmen des die Erregung, bewirkenden Kondensators parallel
geschaltete Drosselspule mit Eisenkern bemißt man derart, daß sie bei der vorgesehenen
höchsten Spannung eine verhältnismäßig hohe Induktivität, also kleine Blindstromaufnahme,
besitzt, mithin das Verhalten des Generators praktisch nur wenig oder nicht beeinflußt.
Durch die Gleichstromvormagnetisierung kann aber die Induktivität der Drosselspule
beliebig heruntergeregelt werden. Die Vormagnetisierung verkleinert nicht nur die
Induktivität (der Drossel und damit das L in Gl. (i) des gesamten Stromkreises einschließlich
des Generators (der Nutzstrom ist, wie bereits erwähnt, der Einfachheit halber als
reiner Wirkstrom. vorausgesetzt worden), sondern sie verlegt die Magnetisierung
der Drossel und damit wiederum auch die Magnetisierung des gesamten Stromkreises
in den Bereich der Eisensättigung, und zwar, wenn die Drossel mit der Vormagnetisierung
entsprechend bemessen ist, bei allen Klemmenspannungen praktisch bis Null herunter.
Dadurch wird grundsätzlich für jede Generatorspannung ein ähnlicher Zustand geschaffen
wie beider vollen Spannung, wo der Generator deswegen stabil arbeitet, weil dabei
die Magnetisierung des Generators allein schon im Sättigungsbereich des Eisens liegt.
Durch die vormagnetisierte Drosselspule wird grundsätzlich erreicht, daß die stabilisierende
Wirkung der Eisensättigung bei allen Spannungen des Generators wirksam ist.
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Da durch die Regelung des vormagnetisierenden Gleichstromes gleichzeitig
die Blindstromaufnahme der Drossel und damit der für die Magnetisierung des Generators
verfügbare kapazitive Strom geregelt wird, so bedeutet unter sonst gleichen Verhältnissen
eine Vergrößerung des Vormagnetisierungsstromes eine Verkleinerung der Generatorerregung
und damit der Generatorspannung. Die parallel geschaltete vormagnetisierbare Drossel
bildet daher ein einfaches Mittel, die Spannung des. selbsterregten Asynchrongenerators
beliebig und im ganzen Spannungsbereich stabil zu regeln.
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Die stabilisierende Wirkung der Sättigung ist physikalisch dadurch
begründet, daß die Induktivität im Sättigungsbereich spannungsabhängig wird, und
zwar mit steigender Spannung abnimmt und umgekehrt. Versucht daher beispielsweise
die Klemmenspannung des Generators zu steigen, so nimmt damit die Stromaufnahme
der Drossel stärker als linear zu, während der Kondensatorstrom nur linear ansteigt;
infolgedessen entspricht dem Spannungsanstieg am Generator keine entsprechende Zunahme
des Erregerstromes. Die Klemmenspannung wird daher nicht nur am weiteren Anstieg
gehindert, sondern ganz oder angenähert auf ihren ursprünglichen Wert zurückgedrückt,
bis das Gleichgewicht zwischen Spannung und Erregerstrom wieder hergestellt ist.
Das Analoge gilt für den Fall, daß die Spannung am Generator unter den gegebenen
Wert zu sinken versucht.
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Diese Überlegung zeigt, daß die Drossel um so stärker stabilisierend
wirkt, je stärker die Änderung ihrer Induktivität von der Klemmenspannung
abhängt, je größer also der Differentialquotient
ist (2)1 wobei L die spannungsabhängige Induktivität der Drossel (bzw. einschließlich
der Induktivität des Generators) und e die Klemmenspannung der Drossel bzw. des
Generators bedeuten. Die Veränderlichkeit g der Magnetisierung wird, wie schon gesagt.
beispielsweise dadurch vergrößert, daß man die Vormagnetisierung über einen Stromrichter
unmittelbar von der Generatorklemmenspannung oder von einer beliebigen anderen Wechselstromquelle,
die von dieser Klemmenspannung abhängt, speist. Es wird dadurch bei gleicher Sättigung
ein größerer Stabilitätsgrad, schnelleres Einschwingen auf den Ruhewert und geringere
Neigung zu Schwebungen erreicht, oder es genügen bei gleicher Stabilität eine kleinere
Vormagnetisierung und kleinere Drosseln.
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Ferner werden zweckmäßig zur Vermeidung der Unsymmetrie der Stromkurve
der Drossel, wie sie durch einseitige Vormagnetisierung hervorgerufen wird, zwei
Drosseln mit entgegengesetzter Vormagnetisierung verwendet.
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Es ist an sich bekannt, gekrümmte Stromspannungskennlinien
durch die Kombination gesättigter Drosselspulen mit Kondensatoren zu erzielen, und
es wurde bereits vorgeschlagen, zur Spannungsregelung selbsterregter Asynchrongeneratoren
eine in Ab-
hängigkeit von der Generatorspannung mit Gleichstrom vormagnetisierte
Drosselspule
mit den Erregerkondensatoren in Reihe zu schalten.
Das Ziel, eine stabile Spannungsregelung im Gebiet kleiner Spannungswerte, also
im Gebiet der linearen Maschinenkennlinie zu erhalten, kann jedoch im Gegensatz
hierzu nur durch Parallelschaltung von vormagnetisierter Drosselspule und Erregerkondensator
erreicht werden. Diese Tatsache wird verständlich, wenn man aus den Stromspannungskennlinien
des Kondensators und einer gleichstromvormagnetisierten Drosselspule für den Fall
der Reihenschaltung und für den Fall der Parallelschaltung von Drossel und Kondensator
die resultierenden Stromspannungskennlinien konstruiert. Es ist dann zuerkennen,
daß lediglich -die resultierenden Kennlinien der Parallelschaltung eine stabile
Regelung des Asynchrongenerators auch im Gebiet kleiner Generatorspannungen möglich
machen.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen
veranschaulicht.
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In Abb. i bedeuten M einen Asynchrongenerator, z.B. mit Kurzschlußläufer,
und L, die Induktivität der Ständerwicklung. C zeigt den Erregerkondensator, dem
die vormagnetisierbare Induktivität LD parallel geschaltet ist. Die Vormagnetisierung
geschieht durch die auf dem gleichen Kern angebrachte Hilfsspule v, die über den
regelbaren oder fest einstellbaren Hilfswiderstand r und über das Element mit eindeutiger
Stromdurchlaßrichtung G gespeist wird. R" deutet die Nutzlast des Generators an.
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Die Vormagnetisierung v ist somit bei der Schaltung der Abb. i unmittelbar
in Abhängigkeit von der zu stabilisierenden Spannung gebracht. Wie theoretisch und
auch durch den Versuch nachgewiesen werden kann, bewirkt diese Verknüpfung der Vormagnetisierung
mit der Spannung eine wesentliche Verbesserung der Stabilitätsverhältnisse. Durch
Verwendung von steuerbaren Elementen mit eindeutiger Durchlaßrichtung in Gleichrichterschaltung,
beispielsweise Stromrichtergefäßen, zum Gleichrichten des Vormagnetisierungsstromes
von Wechselstrom in Gleichstrom hat man es außerdem in der Hand, die Spannungsabhängigkeit
der Vormagnetisierung noch wesentlich zu verstärken, indem man die Steuerung, z.
B. das Gitter, des Elementes ebenfalls spannungsabhängig anschließt nach einem der
bekannten Verfahren, so daß bei Spannungsänderungen gleichzeitig die Anodenspannung
und (die Öffnung des Gefäßes in gleichem Sinne geregelt werden.
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Bei dem in der Abb. 2, dargestellten Ausführungsbeispiel wird die
Vormagnetisierung durch den Stromwandler S gespeist, der in Reihe mit dem
Erregerkondensator C liegt. Da der Kondensatorstrom verhältnisgleich ist mit der
angelegten Spannung, so wird dadurch die Vormagnetisierung mittelbar verhältnisgleich
mit der Spannung erregt. Diese Anordnung wirkt deswegen verstärkt stabilisierend,
weil z. B. 'bei einer plötzlichen Spannungserhöhung die Spannungszunahme im ersten
Augenblick nicht den Kondensator trifft, sondern von dem Stromwandler S aufgefangen
wird; die Anordnung verhindert daher sowohl die augenblickliche Zunahme der Erregerenergie
(Kondensator) als auch, daß die gesamte Spannungszunahme gleichzeitig zur Vormagnetisierung
der Drossel, also zur Schwächung der Erregerenergie verwandt wird.
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Abb. 3 zeigt eine Anordnung, bei der ein Generator gemäß der Erfindung
als Gleichstromerregermaschine für Synchrongeneratoren benutzt wird. Bekanntlich
erfordert der Stromwender von normalen angebauten Gleichstromerregermaschinen, insbesondere
bei schnellaufenden großen Turbogeneratoren, besondere Wartung, die bei Verwendung
von Asynchrongeneratoren als Erregermaschinen vollkommen fortfällt.
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Der Einfachheit halber sind in Abb. 3 die verschiedenen Einrichtungen
einphasig gezeichnet. Es bedeuten M den Synchrongenerator, in die asynchrone- Erregermaschine,
die über den Gleichrichter GM und Schleifringe die Hauptmaschine 111 erregt. Anstatt
die Stabilisierungsdrosseln D, -und D2 unmittelbar von der Spannung des Asynchrongenerators
m vorzumagnetisieren, erfolgt die Vormagnetisierung beispielsweise über den Stromrichter
G, von der Spannung des Hauptgenerators M, dessen Spannung bei Leerlauf und
kleiner Belastung derjenigen von m verhältnisgleich ist. Um die Erregerspannung
-von m bei gleichbleibender Spannung (des Hauptgenerators M unter Last zu
regeln, ist gleichzeitig eine stromabhängige Vormagnetisierung Vi auf der Drossel
vorgesehen, die über den Stromwandler S und beispielsweise über Stromrichtergefäße
Gi vorn Strom des Hauptgenerators erregt wird. Da, wie aus Abb. ä ersichtlich, die
stromabhängige Vormagnetisierung der spannungsabhängigen Vormagnetisierung infolge
Stromumkehr entgegenwirkt, so wird die resultierende Vormagnetisierung bei Laststeigerung
geschwächt, #d. h. die Erregerspannung von m und damit die Erregung der Hauptmaschine
erhöht. Für die Gleichrichtung der stromabhängigen Vormagnetisierung ist ein gegensinnig
parallel geschaltetes Doppelgefäß vor-ZD gesehen. Durchentspreehende Regelung der
Gitter kann erreicht werden, daß, je nachdem, ob das eine oder andere Gefäß
freigegeben
wird, die stromabhängige Vormagnetisierung positiv
oder negativ lastabhängig wird. Negative Lastabhängigkeit, also Verringerung der
Erregerspannung, ist u. U. dann erforderlich, wenn der Hauptgenerator kapazitiv
belastet wird, also z. B. auf ein Kabelnetz geschaltet ist.
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Infolge der Zeitverzögerung zwischen Erregung und Hauptspannung der
Hauptmaschine 111 ist die Stabiliserung von in bei Anschluß der Vormagnetisierung
Ve an die Hauptspannung von 11,1 u. U. nicht ausreichend, um Pendelungen zu vermeiden.
Man kann daher in solchem Fall auch die Ve-Spule unmittelbar an die Erregerspannung
von m anschließen, Dabei sind dann die Ampere-Windungen der Vormagnetisierungsspulen
derart aufeinander abzustimmen, daß z. B. bei Lastanstieg die stromabhängige Vormagnetisierung
Vi nicht nur ausreicht, um die bei unverändertem Strom in V, erforderliche Spannungserhöhung
von in zu bewirken, sondern gleichzeitig auch die Stromerhöhung in V, die mit dem
Spannungsanstieg von in verknüpft ist, zu ersetzen. Gegenüber einer bekannten Einrichtung,
bei der auch der unerwünschte Kollektor einer Gleichstromerregermaschine durch Verwendung
von Gleichrichtern in Verbindung mit Strom- und Spannungswandlern gespart wird,
wobei jedoch der Synchrongenerator über die Gleichrichter unmittelbar erregt wird,
weist die in der Abb. 3 dargestellte Anordnung den Vorteil auf, daß zum Anlauf keine
besonderen Hilfsstromquellen bzw. Hilfseinrichtungen erforderlich sind. Der schleifringlose
Asynchrongenerator erregt sich vielmehr über die Erregerkondensatoren G wie ein
Gleichstromgenerator von selbst, wenn der Hauptgenerator M die volle Drehzahl erreicht
hat. sofern nur die geringste Remanenzspannung vorhanden ist. Die Erregung der Synchronmaschine
ist daher bei Verwendung der in der Abb. 3 dargestellten Anordnung auf alle Fälle
sichergestellt.