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Selbständiger Drehstrom-Kommutatorgenerator für bei Änderung der Belastung
gleichbleibende Spannung Zum Betrieb von Synchrongeneratoren benötigt man üblicherweise
außer dem Generator selbst noch eine Erregermaschine und einen Schnellregler. Es
sind neuerdings auch Schaltungen bekanntgeworden, die es ermöglichen, -dien Generator
unter Wegfall des Reglers und bei Verwendung eines Gleichrichters in Stromschaltung
lastabhängig zu erregen. Bei Generatoren kleiner Leistung tritt das Erregerzubehär
(Erregermaschine, Regler, Gleichrichter usw.) in den bisherigen Schaltungen anteilmäßig
zu stark hervor; auch treten manchmal Schwierigkeiten auf, wenn solche Generatoren
unter erschwerten äußeren Verhältnissen, z. B. in den Tropen, arbeiten müssen, wo
besonders hohe Anforderungen an Regler oder Gleichrichter gestellt werden.
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Hier zeigt nun die Erfin(d'ung, wne man über Wegfall von Erregermaschine,
Regler, Gleichrichter usw. eine weitgehende Veweinfachung erreichen. kann, die derartige
Generatoren nicht nur für die erwähnten schweren, sondern auch für normale Verhältnisse
den bisherigen Schaltungen überlegen macht. Die Erfindung benutzt dazu den an sich
bekannten selbständigen, Drehstrom-Kommutatorgenerator. Um
nun von
diesem Kommutatorgenerator bei Änderung der Belastung eine gleichbleibende: Spannung
erhalten zti können, entsprechen erfindungsgemäß der Aufbau und die Schaltung des
Generators einem Drehstromreihensclilußmotor,dessen Ständer- und Läuferamperewindungen
einander entgegenwirken (Kurzschlußstellung der Bürsten), dessen Läufer eine hurzschlußwicklung
besitzt Lind an dem der Grunderregerstrom von außen über einen Scheinwiderstand
zugeführt wird, dessen Leistung groß gegenüber der an die Maschine abgegebenen Grunderregerleistung
ist, so daß der Grunderregerstrom und der Lasterregerstrom entweder im Läufer oder
im Ständer ohne gegenseitige Beeinflußung überlagert werden.
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An sich sind selbständige Drehstrom-Kommutatorgeneratoren bereits
bekannt, bei denen die Ständer- und die Läufcrarl3citsstromkreise Reihenschaltung
aufweisen und bei denen durch eine gemeinsame Regelung der Übersetzung und Phasenwinkel
der Stromkreise sowie der magnetischen Charakteristiken der angeschlossenen Eisenkreise
erreicht wird, daß die synchrone Spannung der stabilen Selbsterregung der Maschine
ganz oder nahezu proportional der jeweils erzeugten Frequenz ist. Diese Generatoren
liefern jedoch keine bei Änderung der Belastung gleichbleibende Spannung, was erst
durch Zuführung des Grunderregerstromes über den großen Scheinwiderstand in der
oben angegebenen Weise erreicht wird. Die Schaltung des neuen Drehstrom-Kommutatorgenerators
kommt also der eines Drelistromreih"ensclnlußmotors nahe. Ständer und Läufer sind
wie dort über einen Zwischenumspanner in Reilie geschaltet. Die Bürsten befinden
sieh jedoch in der Kurzschlußstellung, so daß die Ständerampere-,vindungen durch
die des Läufers stets aufgehoben «erden und keine Rückwirkung auf das Feld ausüben
können. Diese Läuferampenewindungen bilden die lastabhängige Erregung der Maschine.
Durch Wahl der Übersetzung des Zwischenumspanners kann man erreichen, daß die Läuferamperewindungen
sogar etwas größer sind als die des Ständers, so daß die dadurch bewirkte lastabhängige
Feldbildung die Spannungsabfälle des Belastungsstromes ausgleichen kann. Dem Zwischenumspanner
wird ferner noch als lastunabhängiger Erregerstrom (Grunderregerstrom) der Strom
einer Drosselspule oder eines anderen Scheinwiderstandes zugeführt. Die Drosselspule
ist genügend groß, so daß Änderungen der Spannung am Zwischenum-Spanner, der als
Stromwandler arbeitet, die ' Größe des über die Drosselspule gclieferten Grunderregerstromes
nicht beeinflussen. Die Schaltung muß nur so getroffen werden, daß ,' s..,ich Grunderregerstrom
und Lasterregerstrom bei induktiver Belastung des Generators nahezu algebraisch
addieren, bei anderer Belastung erfolgt die Überlagerung geo?netrisch. Die Abmessungen
des Zwischeniumspanners «erden sehr klein, da er nur etwa für die Wirkverluste des
Läufers bemessen werden muß. Denn eine nennenswerte SchIupfspannung wie beim Drehstromreihenschlußmotor
tritt hier nicht auf, da die 'Maschinen stets in der nähe der svnchronen Drehzahl
arbeiten. Aus diesem Grund kann der Generator für hohe Stillstandspannung und kleine
Ströme am Stromwender gebaut «-erden, so daß dieser kleine Abmessungen erhält. Außerdem
ist llehrphasenspeisung möglich, wodurch nicht nur die Stromwenderabmessungen verkleinert
«-erden, sondern auch gute Stromwendungsverhältnisse geschaffen wer-' den. Diese
werden noch weiter verbessert durch eine KurzschlußwickIung im Läufer, die aus folgendem
Grund erforderlich ist. Dadurch, daß der Läuferstrom über feststehende Bürsten zugeführt
wird. ist die Lage des Läuferstrombelags gegenüber dem Netzvektor lediglich durch
die Phasenlage der den Bürsten zugeführten Ströme bestimmt, und der für die Feldbildung
in der -Maschine wirksame zusammengesetzte Strombelag wird nicht unter allen Umständen
ganz genau Größe und Richtung des Sollwerts haben, der notwendig ist. damit Generatorspannung
und Spannung an der Drosselspule sich decken können. Es muß durch einen geringen
zusätzIic:Iien Strombelag die -Möglichkeit geschaffen werden, daß sich der zusammengesetzte
Strombelag jeweils auf die richtige Größe und Phasenlage einstellen kann. Diese
Möglichkeit bietet eine Kurzschlußwicklung im Läufer, in der durch geringe Schlupfänderungen
der ausgleichende Stroml4elag erzeugt wird. Es besteht dabei sogar die 'Möglichkeit,
durch geeignete Bemessung des Grunderregerkreises (mit dem großen Sc'hein-,viderstand)
diesem Schlupf solche Größe und Richtung zu geben, da?) durch den Drehzahlabfall
der antreibenden Kraftmaschine die Frequenz des vom Generator erzeugten Stromes
so gut wie nicht beeinflußt wird. Ferner kann man eine stufenlose Regelung cler
Spannung dadurch erreichen, daß dem Läufer die Ströme über verschiebbare Bürsten,
z. B. über einen gegenläufig verstellbaren Doppelbürstensatz, wie er für Drehstromreihenschlußmotoren
an sich bekannt ist, zugeführt werden. Bei der Schaltung nach Fig. i kann man dies
dadurch erreichen, daß man den Sternpunkt der mit dem Komniutator verbundenen Sekundärwicklung
des Zwischenumspanners -z auflöst und die so geschaiienen drei Enden der Sel;undärwiclcltiti-
an einen
zweiten Bürstensatz des Kommutators anschließt, der gegenüber
dem eingezeichneten Bürstensatz unabhängig verschiebbar ist. Das wirkt -s,ich wie
eine Veränderung der wirksamen Wind'ungszahl des Läufers aus und hat eine entsprechende
Änderung der Generatorspannung zur Folge. Bei Vorhandensein eines Zwischenumspanners
am Drehstrom-Kommutatorgenerator ist die Einführung des von der Drosselspule gelieferten
Grurnderregerstromes in dien Generatorstrom@kreis besonders einfach. Ist ein solcher
Zwischenumspanner nicht vorhandnen, so kann man den Strom der Drosselspule auch
über einen in den Generatorstromkreis eingeschalteten Stromtransformator einführen.
Dieser ist dann im Gegensatz zu dem Zwischenurnspanner nur für die von der Drosselspule
gelieferte Erregerleistung zu bemessen.
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An Hand einiger Abbildungen soll. der Erfindungsgedanke noch näher
erläutert werden. In Fig. i bezeichnet i den Generator, im Aufbau einen Drehstromnelihenschlußmotor,
bei dem Ständer und Läufer über den Zwischenumspanner 2 in Reihe geschaltet sind.
Die Bürsten befinden sich in der Kurzschlußstellung, so daß sich Ständer- und Läufe
rstrombelag gegeneitng aufheben bis auf einen gewissen Überschuß, der dem Läufer
durch geeignete Übersetzung des Zwischenumspanners gegeben ist, damit lastabhängige
Spannungsabfälle durch Feldsteigerungen des Läufers ausgeglichen werden können.
Dem Zwischenumspanner wird noch der Strom Je der Drosselspule 3 überlagert, der
so groß gewählt wird, daß er den Leerlauferregerstrom des Generators deckt. Die
Drosselspule ist groß genug, daß Spannungsänderungen am Zwischenumspanner bzw. am
Stromwender Größe und Phasenlage des Drosselspulenstroms so gut wie nicht beelinflussen
können. In Fig. 2 zeigt die Kurve i den Verlauf der Spannung U an dem Generator
über dem benötigten Erregerstrom Je und die Kurve II den Verlauf der Spannung an
der Drosselspule 3 über dem gelieferten Erregerstrom Je. Die Maschine erregt sich
bis zum Schnittpunkt der beiden. Kurven. Damit sich Grunderriegerstrom und Lasterregerstrom
richtig zusammensetzen, ist durch die Wahl des Sternpunktes der Erstwicklung dies
Zwischenumspannens dafür gesorgt, d'aß bei induktiver Belastung 'sich Generatorstro!m
und Drosselspulenstrom im Umspanner addieren. Bei Belastung z. B. mit Nennlast verläuft
die Klemmanspannung des Generators in Abhängigkeit des wirksamen benötigten Erregerstromes
(=Gesamterregerstrom nach Abzug des Anteils für Aufhebung der Ankerrückwirkung)
nach der Kurve III und die GeneratoTspannung über ,den gelieferten wirksamen Erregerstrom
nach der Kurve IV. Der Schnittpunkt der beiden stellt die Generato@rspannung bei
Belastung dar. Fig. 3 zeigt das Spannungs-und Stromschaubild für den Fall, daß der
Generator auf Wirk- und induktive Blindlast belastet ist. Es bedeutet U die Netzspannung,
-j, il, xi, o die Streuspannung des Ständers E die innere EMK, Jy den zugehörigen
Erregerstrom, J1 dien Ständerstrom, 1z den Läuferstrom. Dieser setzt sich zusammen
aufs dem negativen Ständerstrom Jl, der durch die Schaltung dies Umspanners die
richtige Phasienlage gegenüber dem Drosselspulenstrom JD erhält, aus dem
Drosselspulenstrom JD und dem Strom JK in der Kurzschlußwicklung. Der Strom der
Drosselspule ist genau um 90'° der Netzspannung U nacheilend dargestellt, um die
Vervollständigung durch JK besser erkennen zu lassen. Die dargestellte Richtung
von JK würde dem übersynchronen Betrieb des Generators entsprechen, d. h. die Ständerfrequenz
des Generators wäre, um die. Schlupffrequenz kleiner als die Drelhu ngsfrequenz,
die bei Belastung infolge Drehzahlabfalls der Antriebsmaschine schon kleiner ist
als bei Leerlauf. Gibt man dagegen dem Drosselspulenkre,is etwas mehr Ohmschen Widerstand,
so eilt JD dem Strom J,u vor (vgl. Fig. q), und der Strom TK, der
den Sollwert des Stromes Jlj, ergänzt, bekommt entgegengesetzte Richtung wne in
Fig. 3. Diese Richtung ist aber nur beji untersynchronem Lauf möglich, d'. h. die
Ständerfrequenz ist nunmehr größer als die Umdrehungsfrequenz. Es ist daher möglich,
durch geeignete Bemessung des Grunderregerkreises die Änderung der Netzfrequenz
mit dem Drehzahlabfall bei Belastung im Alleinbetrieb auszugleichen. Die gleiche
Wirkung kann auch durch entsprechende Schaltung der Wicklungsteile, die den Drosselspulenstrom
auf dem Zwischenumspanne.r führen, erreicht werden, was einer Phasendrehung des
Drosselspulenstromes gleichkommt. Um den Generator auf Spannung zu bringen, genügt
ein Antippen aus einer kleinen Gleichstromhilfsquelle (Akkumulator), wenn nicht
schon die Remanenz genügt, die Spannung hochzubringen.
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Eine Abänderung der Schaltung nach Fig. i ist in Fig. 5 dargestellt.
Der- Grundanteil des Erregerstromes wird hierbei denn Ständer durch den Kondensätor
4. zugeführt, der lastabhängige Erregerstromanteil durch drei Umspanner 2 dem Läufer.
Leistungsmäßig besteht ein Unterschied dieser Schaltung gegenüber Fig. i insofern,
als die Zuführung des Erregierstromes im Ständer die Überwindung der vom vollen
Feld mit Netzfrequenz erzeugten Klemmenspannung erfordert, während bei
der
Schaltung nach Fig. i der Erregerstrom fast nur den Ohmschen Spannungsabfall des
Läufers überwinden muß. Demgemäß wird auch die Drosselspule in Fig. i nur für ein
Mehrfaches dieser kleinen Leistung bemessen (etwa 5 bis ioofo der Generatorleistung),
während der Kondensator .I in Fig. 5 in der Größenordnung von 30 bis 40 0/6 der
Generatorleistung liegt. Er bietet dagegen den Vorteil, daß die Auferregung beim
Anfahren leichter zustande kommt. Der Umspanner 2 führt nur noch den lastabhängigen
Erregerstromanteil dein Sti-oiti«-end,-r zu, so daß dieser kleiner gaa<at@n v
erden kann. ':!lacht man 'hier den Bür stenträg°r regelbar, so -wird nur der lastabhängige
Erregerstromanteil geregelt, was unter Umständen vorteilhaft sein kann, weil dadurch
ein.- leichte Einstellung der Abhängigkeit der Generatorspannung von der Belastung
ermöglicht wird, -während die Grunderregung unbeeinflußt bleibt. Gegeben°nfalls
kann auch eine Vereinigung der Schaltungen nach Fig. i und 5 vorgenommen -werden,
indem der Grundanteil teilweise durch die Drosselspule und teilweise durch den Kondensator
geliefert ii°ir$.
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Das Anwendungsgebiet der Erfindung erstreckt sich in der Hauptsache
auf !.leine und mittlere Leistungen (Notstromgeneratoren, Stromerzeugung in Fällen,
wo kein Kraftwerkanschluß zur Verfügung steht usw.), wo auf Einfachheit der Schaltung
und Bedienung besonderer Wert gelegt und trotzdem eine gute Spannungshaltung gewährleistet
werden muß. In diesem Leistungsgebiet macht auch die Stromwendung nicht die geringsten
Schwierigkeiten, zumal in Anbetracht der außerordentlich günstigen Verhältnisse,
die dafür vorliegen. Die Flußwechselspannung, I die bei regelbaren MTechselstrom-Stromwendermaschine
sehr bald die Leistungsgrenze bestimmt, tritt hier völlig zurück, da die Maschine
so gut wie synchron arbeitet. Es bleibt daher nur die Stromwendespannung zu beachten,
für deren Kleinhaltung aber sowohl in der Mehrghasenspeisung als auch in der Kurzschlußwicklung
des Läufers günstige Verhältnisse vorliegen. Die Leistungsgrenze kann -däher wesentlich
höher gerückt werden, als sie für ständergespeiste Wechselstrom- i Stromwendermaschinen
zulässig ist.