Anordnung zur Konstanthaltung der Spannung von Synchrongeneratoren
mit lastabhängiger Erregung Es ist bekannt (vgl. Patentschrift 648 3o2), Synchrongeneratoren
über Gleichrichter in .sog. Stromschaltung mit einem lastunabhängigen und -einem
lastabhängigen Strom zu erregen, die sich je nach ,der Art der Belastung (Wirk-
und Blindlast) geometrisch Überlagern und damit stion ungefähr eine Anpassung des
Erregerstromes Mi seinen Sollwert hei dem betreffenden Leistungsfaktor herbeiführen.
In Abb. t le7eiohnet r einen Synchrongenerator, der über einen Trockengleichrichter
2 erregt wird. 3 bedeutet den Gleichrichterumspanner,dessen Erstw idklung einerseits
der Generatorstrom, andererseits der Strom einer genügend großen Drosselspule 4
zugeführt wird. 5 stellt einen Kondensator dar, der auf Resonanz mit der Dros,sel-spule
(abgestimmt ist. Er hat die Aufgabe, d-ie Selbsterregung des Generators einzuleiten,
weil bei der Resonanzfrequenz die geringe Remanenzspanraung des Generators geni@gt,
um ein Mehrfaches dieser Spanming an Drosselspule und Kondensator und damit auch
am Gleichrichter entstehen zu lassen. Diese Spannung reicht dann aus, um ibeim Anfahren
die Übergangswiderstände atn. Gleichrichter und an den Rrregerschleifringen zu Überwinden,
so daß die Auferregung vor sich gehen kann. Für den Gleichrichtienstrom lrcw. den
Erregerstrorcn i des Generators ergibt sich dabei die ßezieihung
U = Klemmenspannung, J = Generatorstrom, R = Widerstand der Erregerwicklung, Xp
= Blind-
wird die Gesamtanordnung äußerst einfach. Die Windungszahlen
des Gleichrichterumspanners werden für einen bestimmten mittleren Leistungsfaktor
bemessen und die verbleibenden Spannungsunterschiede durch die Drehzahl ausgeregelt.
An sich kommt das natürliche Bestreben der meisten Antriebsmaschinen, mit zunehmender
Belastung ihre Drehzahl zu vermindern, dem Verlauf der ahlkennlinien .in Abb. 3
entgegen. Man könnte sogar die Drehzahllinie für kos 9P = o hori-zontal legen
und erhält dann mit zunehmender Wirklast .selbsttätig eine Absenkung der Drehzahllinie,
so daß die Beeinflussung der Energiezufuhr durch die Spannung in sehr kleinen Grenzen
bleiben kann.Arrangement for keeping the voltage of synchronous generators constant with load-dependent excitation. It is known (see patent specification 648 302) to use synchronous generators via rectifiers in .sog. To excite current switching with a load-independent and a load-dependent current, which, depending on the type of load (active and reactive load), are geometrically superimposed and thus approximate an adaptation of the excitation current Mi to its setpoint with the relevant power factor. In Fig. T le7eiohnet r a synchronous generator that is excited by a dry rectifier 2. 3 means the rectifier converter, the primary function of which is on the one hand the generator current and on the other hand the current to a sufficiently large choke coil 4. 5 shows a capacitor that is tuned to resonance with the choke coil (. Its task is to initiate the self-excitation of the generator, because at the resonance frequency the low remanence voltage of the generator is sufficient, several times this This voltage is sufficient to overcome the contact resistances at the rectifier and on the exciter slip rings when starting up, so that the excitement can take place Excitation current i of the generator results in the ßzieihung U = terminal voltage, J = generator current, R = resistance of the field winding, Xp = blind - the overall arrangement is extremely simple. The number of turns of the rectifier converter is measured for a certain average power factor and the remaining voltage differences are compensated by the speed. As such, the natural endeavor of most drive machines to reduce their speed with increasing load complies with the course of the speed characteristic curves in Fig. 3. You could even set the speed line for kos 9P = o horizontally and then gets with increasing active load .selbsttätig lowering the speed line, so that the influence of the power supply can remain by the tension in very narrow limits.
Abb. 4 ,zeigt eine Anordnung mit einem derartig erregten Generator;
der von einem Windrad 6 angetrieben wird und vollständig ohne Regler arbeitet. Die
Begrenzung der Spannung erfolgt durch die Akkumulatorenbatterie 8, die über den
Gleichrichter 9 von dem Generator i gespeist wird. Sobald die dargebotene Windenergie
groß genug ist, läuft der Generator an und erregt :sich bei der Resonanzdrehzahl.
Wenn die Generatorspannung größer wird als die Batteriespannung, belastet sich ides
Generator auf die .Batterie. Bei reichlicher Dreh.stromenergie können Drehstromverbraucher
io zugesc'haltet werden. Die stromabhängige Erregung des Generators ermöglicht hierbei
sogar das Zuschalten von Kurzschlußläufern in voller Nennleistung des Generators.
Als Drehstromverbraucher wählt man hierbei vorzugsweise solche, deren Einsatz nicht
an bestimmte Stunden gebunden ist. An die Batterie schließt man dagegen diejerndgen
Verbraucher i i an, die jederzeit zur Verfügung stehen müssen, wie z. B. Lampen,
Kochgeräte usw. Bei abflauendem Wind hört die Belastung des Generators auf die Batterie
von selbst auf, sobald die Genemtorspannung kleiner wird als die Batteniespammng.
Der Gleichrichter 9 verhindert dabei selbsttätig den Rückstrom aus der Batterie
in den Generator. Die Abstimmung zwischen , Drossel und Kondensator kann so gewählt
werden, daß die Selbsterregung schon bei möglichst tiefen Drelhzahlen, z. B. bei
4o%, der Nenndrehzahl einsetzt. Die Spannung kann hierbei von der Nennspannung ohne
Nachteil abweichen, weil alle spannungsabhängigen Verbraucher, wie z. B. Glühlampen,
an die Batterie angeschlossen werden. Drehstrommotoren können dagegen ohne weiteres
mit verringerter Spannung betrieben werden, wenn mit der Spannung auch die Frequenz
zurüct, wie das hier der Fall ist. Auch für Verbraucher mit Widerstandscharakter
spielt der Betrieb mit verringerter Spannung keine Rolle. Man erreicht auf diese
Weise eine sehr weitgehende Anpassung der Drehzahl an die herrschende Windgeschwindigkeit
.und günstige Ausnutzung der Windenergie, ohne daß eine umständliche und störanfällige
Automatikbenötigt wird. Die Batterie 8 sorgt hierbei dafür, daß Spannung und Drehzahl
des Generators i die zulässigen Werte nicht überschreiten. Auch bei Antrieb durch
Das erste Glied stellt den lastunabhängigen, .und
das zweite den lastabhängigen Anteil dar.
Abb. a zeigt den Verlauf des Erregerstromes
über dem Belastungsstrom @ für verschiedene
Leistungsfaktoren, und zwar entsprechen die aus-
gezogenen Kurven den Sollwerten @ für konstante
Spannung und die gestrichelten den mit einem ge-
gebenen Übersetzungsverhältnis am Gleiohrichter-
umspanner und bei konst4nier Drehzahl bzw.
Frequenz errekhten Istwsrten. Man erkennt
daraus, daß man beide Kurven für einen be-
stimmten Leistungsfaktor, z. B. für kos (p = o,8,
zur Deckung bringen kann. Dann sind für kos 99 = o
die Istwerte etwas zu klein und für kos 9p = i
etwas zu groß. Infolgedessen weicht die Spannrang
von ihrem Sollwert ab, wenn der Erregerstrom
reicht .zusätzükh geregelt wird.,. .Da es sich um eine
sog. Stromschaltung handelt, bei der der Strom in
der Erregerwicklung durch die Drosselspule ;bzw.
den Generator erzwuuegeh wird, kann eine Rege-
lung des Stromes nur durch Regelung des
Umspanners mit Anzapfungen oder der Drossel-
spule oder durch Parellelschalten eines regel-
baren Widerstandes zur Erregerwieklung er-
folgen. Alle diese Regelungsverfahren sind unvoll-
kommen, weil sich nur sdrwer eine feinstufige
Regelung erreichen läßt, außerdem verursachen sie
einen erheblichen anrsätzlichen Aufwand und stören
die Einfachheit der Schaltung: I-Iier zeigt nun die
vorliegende Erfindung, wie man auf einfache Weise
diesen Nachteil beseitigen und bei allen Be-
lastungen und Leistungsfaktoren eine stets gleich-
bleibende Spannung erreichen kann.
Dies geschieht dadurch, daß die Drehzahl des
Generators nicht konstant gehalten, sondern in
geringen Grenzen -so geregelt wird, daß die
Spannung konstant bleibt. Dies kann z. B. in der
.Weise erfolgen, daß die Fmergiez:rfuhr der An-
triebxnaschine 6 in Abb. x entsprechend beednflußt
wird. Eine besonders einfache und, zweckmäßige
iösnsng besteht darin, diese Energiezufuhr durch
die Spannung des Genemtors selbsttätig zu regeln.
Ein Sparmungsrelais 7 beeinflußt z. B. die Drossel-
klappe des Venbrenaungsmotors 6 in dei. Weise,
daß bei zu hdier Spamuiag die Brennstoffzufuhr
gedrosselt und bei zu niedriger Spannung erhöht
wird. Abb. 3 zeigt den sich dabei ergebenden Ver-
lauf der Dreinkahl bei konstanter Spannung und
verschiedenen Leistungsfaktoren. Für kos 92 = o,8
'kann z. B. mit einem tgstimmten Übersetzungsver-
hältnis am Gleichridnterumspanner die Drehzahl
konstant ibleiben, dann liegt sie bei kos 92 = o höher
und bei kos 99 = i tiefer. Durch den Wegfall sämt-
lia'her Regelkontakte im Generatorstromkreis
widerstand der Drosselspule, , XC =, Blind-
widerstand des Kondensators; K = Konstante,
sämtliche Werte auf gleiche Windungszahl am
Gleichriohterunupaanner :bezogen. Für Resonanz-
frequenz ist XD = Xc, und daer Erregerstrom i wird
vom Erregerwiderstand R unabhängig
Wasserturbinen kann eine ähnliche Anordnung gewählt werden.Fig. 4 shows an arrangement with a generator excited in this way; which is driven by a wind turbine 6 and works completely without a controller. The voltage is limited by the accumulator battery 8, which is fed by the generator i via the rectifier 9. As soon as the presented wind energy is large enough, the generator starts up and excites: itself at the resonance speed. If the generator voltage is greater than the battery voltage, the generator is loaded onto the battery. If there is sufficient three-phase energy, three-phase consumers can be locked. The current-dependent excitation of the generator even enables squirrel cage rotors to be switched on at the full rated output of the generator. As a three-phase current consumer, preference is given to choosing those whose use is not tied to specific hours. On the other hand, the battery is connected to those consumers ii that must be available at all times, such as B. lamps, cooking appliances, etc. When the wind dies down, the load on the generator on the battery ceases by itself as soon as the generator voltage is lower than the battery voltage. The rectifier 9 automatically prevents the reverse current from the battery in the generator. The coordination between, choke and capacitor can be chosen so that the self-excitation at the lowest possible Drelhzahlen, z. B. at 4o%, the nominal speed begins. The voltage can deviate from the nominal voltage without any disadvantage, because all voltage-dependent consumers, such as. B. incandescent lamps, can be connected to the battery. Three-phase motors, on the other hand, can easily be operated with reduced voltage if the voltage also decreases the frequency, as is the case here. Operation with reduced voltage is also irrelevant for loads with a resistance character. In this way, a very extensive adaptation of the speed to the prevailing wind speed is achieved. The battery 8 ensures that the voltage and speed of the generator i do not exceed the permissible values. Even with drive through The first term represents the load-independent, .and
the second represents the load-dependent portion.
Fig. A shows the path of the excitation current
over the load current @ for different
Performance factors, namely the relevant
drawn curves match the setpoints @ for constant
Tension and the dashed lines with a
given transmission ratio on the rectifier
transformer and at constant speed or
Frequency achieved actual values. One recognises
from the fact that one has both curves for one
correct power factor, e.g. B. for kos (p = o, 8,
can bring to congruence. Then for kos 99 = o
the actual values a little too small and for kos 9p = i
a little too big. As a result, the tension rank gives way
from their setpoint when the excitation current
is sufficient. additionally regulated.,. .As it is a
so-called current circuit, in which the current in
the excitation winding through the choke coil; or
the generator is forced, a rain
development of the current only by regulating the
Transformer with taps or the throttle
coil or by connecting a regulating
resistance to excitation evacuation
follow. All of these regulatory procedures are incomplete
come because only sdrwer is a finely tuned
Regulation, as well as creating them
a considerable effort and disturb
the simplicity of the circuit: I-Iier now shows the
present invention how to easily
eliminate this disadvantage and in all cases
loads and performance factors are always the same
permanent tension .
This happens because the speed of the
Generator is not kept constant, but in
low limits - so that the
Voltage remains constant. This can e.g. B. in the
.Wise done that the Fmergiez: drove the delivery
drive machine 6 in Fig. x is influenced accordingly
will. A particularly simple and functional one
iösnsng consists in feeding this energy through
to regulate the tension of the generator automatically.
A saving relay 7 affects z. B. the throttle
Flap of the combustion motor 6 in the. Way,
that at too hdier Spamuiag the fuel supply
throttled and increased if the voltage is too low
will. Fig. 3 shows the resulting allocation
run the Dreinkahl at constant tension and
different performance factors. For kos 92 = o, 8
'can e.g. B. with a correct translation agreement
ratio at the Gleichridnterumspanner the speed
remain constant, then it is higher at kos 92 = o
and at kos 99 = i lower. By eliminating all
lia'her control contacts in the generator circuit
resistance of the choke coil,, XC =, reactive
resistance of the capacitor; K = constant,
all values on the same number of turns on
Gleichriohterunupaanner: related. For resonance
frequency is XD = Xc, and the excitation current becomes i
independent of the excitation resistance R.
A similar arrangement can be chosen for water turbines.
Der übliche Betrieb von Synchrongeneratoren steht .unter der stillschweigenden
Forderung, daß die Frequenz möglichst konstant bleibt, weil die Regelung der Spannung
auf konstante Werte normalerweise mit Reglern erfolgt. Von dieser Forderung ist
@im vorliegenden Falle bewu.ßt abgegangen, um mit dem Mittel der Drehzahl- bzw.
Frequenzregelung die Spannung auf gleichbleibende Werte zu regeln und auf jede Konta'ktregdung
im ,Stromkreis des Generators verzichten zu können. Die lastabhängige Erregung .beschränkt
hierbei die erforderliche Frequenzregelung auf sehr enge Grenzen. Außerdem wird
diese Frequenzregelung nur imAlleinbetrieb @benötigt, bei Parallelbetrieb !mit dem
Netz @schreibt das Netz die Spannung vor, und der Generator fährt zeit gleichbleibendem
Leistungsfaktor.The usual operation of synchronous generators is under the tacit
Requirement that the frequency remains as constant as possible, because the regulation of the voltage
is usually done with regulators to constant values. From this requirement is
@ in the present case deliberately departed in order to use the mean of the speed resp.
Frequency control to regulate the voltage to constant values and to every contact excitation
in being able to do without the electric circuit of the generator. The load-dependent excitation .limited
here the required frequency control to very narrow limits. Also will
this frequency control is only required in stand-alone operation @, in parallel operation! with the
Netz @ the network prescribes the voltage, and the generator runs at a constant rate
Power factor.
Das vorstehend @beschriebene Verfahren ist nicht auf den Fall der
hier gebrachten Ausführungsbeispiele mit lastabhängiger Erregung über Gleichrichter
dn Stromschaltung beschränkt, sondern ikann in allen Fällen angewendet werden, wo
die selbsttätige lastabhängige Erregung gegebenenfallsauch unter Verwendung von
Erregermaischinen besonders kleine Abweichungen der Drehzahl von ihrem Nennwert
ermöglicht, um mit dem Mittel der Frequenzregelung die Spannung bei allen Belastungen
und cos-y9-Werten auf einem vorgeschriebenen Wert zuhalten.The method described above is not applicable to the
Embodiments presented here with load-dependent excitation via rectifiers
The current circuit is limited, but can be used in all cases where
the automatic load-dependent excitation, if necessary, also using
Exciter machines have particularly small deviations in speed from their nominal value
allows to use the means of frequency control to adjust the voltage at all loads
and to keep cos-y9 values at a prescribed value.