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Anordnung zur Erregung von Synchronmaschinen Das Patent 835 626 betrifft
eine Anordnung zur lastabhängigen Erregung von Synchronmaschinen (Generatoren) über
Trockengleichrichter, bei der. der Trockengleichrichter über eine Drosselspule,
die parallel zur Synchronmaschine angeschlossen ist und deren Leitung ein Mehrfaches
der Erregerleistung der Synchronmaschine ist, mit einem lastunabhängigen und vom
Ankerstrom der Synchronmaschine mit einem lastabhängigen Erregerstrom gespeist wird.
Gemäß der Erfindung des Hauptpatents werden beide Ströme der Erstwicklung eines
Umspanners überlagert, dessen Zweitwicklung an Trockengleichrichter angeschlossen
ist. Ferner ist als regelbarer Parallelweg auf der Gleichstromseite des Gleichrichters
eine fremd angetriebene, schnell laufende Gleichstromerregermaschine vorgesehen,
deren Erregerwicklung durch einen von der Maschinenspannung betätigten Regler beeinflußt
wird, wodurch die Spannung des Synchrongenerators genau ausgeregelt werden kann,
da die Gleichstrommaschine, je nachdem ob der Trockengleichrichter zu viel oder
zu wenig Strom liefert, als Motor oder als Generator arbeitet und den Differenzstrom
übernimmt oder abgibt.
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Die selbsttätige Auferregung erfolgt mit Hilfe des Trockengleichrichters
und seines Zubehörs (Drosselspule, Umspanner und Kondensator), so daß dafür die
Gleichstrommaschine nicht benötigt wird. Sie wird erst zugeschaltet, wenn der Hauptgenerator
auf Spannung gekommen ist. Bei Stoßbelastung entwickelt der Gleichrichter sehr schnell
große Spannungen, um das Feld im Hauptgenerator zu halten und einen Spannungszusammenbruch
zu verhindern. Hierbei
würde der parallel geschaltete Ankerkreis
der Gleichstrommaschine stören, weil das Feld der Gleichstrommaschine wegen seiner
Trägheit nicht so schnell zunimmt wie die Spannung am Gleichrichter. Ein beträchtlicher
Teil des vom Gleichrichter bei Stoßlasten gelieferten Stromes würde sich daher statt
über den Läufer des Hauptgenerators über den parallel geschalteten Anker der Gleichstrommaschine
schließen, so daß die Gleichrichterstromschaltung in diesem Fall einen Teil ihrer
Vorteile verlieren würde. Im Hauptpatent ist daher vorgesehen, daß der Ankerkreis
der Gleichstrommaschine bei Stoßlasten durch ein von der Netzspännu4g betätigtes
Schütz abgeschaltet, bei Wiederkehr der vollen Generatorspannung dagegen wieder
eingeschaltet wird. Nun ist ein derartiges fortwährendes Schalten bei unruhigem
Betrieb unerwünscht. Die vorliegende Erfindung zeigt, wie man dies vermeiden kann,
ohne auf die Vorteile der Gleichrichterstromschaltung 'verzichten zu müssen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Ankerkreis der
Gleichstrommaschine nicht unmittelbar dem Gleichrichter parallel geschaltet ist,
sondern über eine geeignet bemessene Drosselspule. Diese wird so gewählt, daß die
Zeitkonstante des Ankerkreises auf jeden Fall größer wird als die des Erregerkreises
der Gleichstrommaschine, der ja ebenfalls parallel zum Gleichrichter liegt. Man
erreicht auf diese Weise, daß der Stromanstieg im Erregerkreis schneller erfolgt
als.im Ankerkreis, und damit kommt auch die Ankerspannung schneller als der Ankerstrom.
Dadurch wird aber vermieden, daß sich ein Teil des Gleichrichterstromes in unerwünschter
Weise über den Anker der Gleichströmmaschine schließt.
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Damit die parallel geschaltete Gleichstrommaschine der Gleichrichterspannung
in einem weiten Bereich zu folgen vermag, muß sie sehr schwach gesättigt sein und
möglichst im geradlinigen Teil ihrer Erregerstromspannungskennlinie arbeiten. Im
motorischen Bereich ist dies ohne weiteres möglich, weil hierbei der Spannungsabfall
im Erregerkreis ' größer ist als die erzeugte Spannung im Anker. Bei generatorischem
Arbeiten müßte es aber umgekehrt sein, und dann kommt man in den Selbsterregungsbereich
der ungesättigten Maschine, die in diesem Bereich nicht ohne weiteres stabil gefahren
werden kann. Dies ist jedoch möglich, wenn man den Spannungsabfall im Erregerkreis
unter Zuhilfenahme einer Fremdspannung größer macht als die im Anker erzeugte Spannung.
Dies geschieht im vorliegenden Fall dadurch, daß zwar der Erregerkreis der- Gleichstrommaschine
unmittelbar zu dem Gleichrichter parallel geschaltet wird, der Ankerkreis dagegen
erst.unter Vorschaltung eines Widerstandes vor dem Gleichrichter. Man erreicht auf
diese Weise, daß die Spannung am Erregerkreis der Gleichstrommaschine -(= Gleichrichterspannung)
stets um den Spannungsabfall an diesem Widerstand größer ist als ihre Ankerspannung,
so daß sowohl im Motor- wie im Generatorbereich stabil -geregelt werden kann.
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Eine andere Möglichkeit zum -stabilen Regeln besteht darin, der Erregerwicklung
der Gleichstrommaschine unabhängig von ihrer Ankerspannung einen gewissen Grunderregerstrom
zuzuführen, der entweder in einer eigenen zusätzlichen Wicklung fließt oder in der
Nebenschlußwicklung dem Nebenschlußerregerstrom überlagert wird. Als Zusatzstrom
kann z. B: der dem Gleichrichter auf der Wechselstromseite zugeführte Strom verwendet
werden, der über einen kleinen Stromwandler auf die richtige Größe gebracht und
über einen kleinen Zusatzgleichrichter der Erregerwicklung der Gleichstrommaschine
zugeleitet wird.
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Einige Ausführungsbeispiele lassen den ErfiDdungsgedanken noch besser
erkennen. In Fig. i bezeichnet x einen Synchrongenerator, der wie im Hauptpatent
über den Gleichrichter z, den Gleichrichterumspanner 3 und die Drosselspule q. erregt
wird, wobei der auf Resonanz mit der Drosselspule abgestimmte Kondensator 5 die
Selbsterregung bei irgendeiner gewünschten Drehzahl einleitet. 6 bezeichnet die
parallel geschaltete Gleichstrommaschine, die mit einem Drehstrommotor 7 gekuppelt
ist. Dieser kann ein normaler Kurzschlußläufer sein, der anläuft, wenn der Generator
i auf genügend hohe Spannung gekommen ist. Der Gleichrichter 2 speist über den zusätzlichen
Widerstand 8 die Schleifringe des Generators. Parallel zu den Schleifringen liegt
auch der Ankerkreis der Gleichstrommaschine 6, jedoch unter Vorschaltung der Drosselspule
g. Der Erregerkreis der Gleichstrommaschine 6 liegt jedoch unmittelbar parallel
zum Gleichrichter. Zur Verkleinerung der Zeitkonstanten in diesem Erregerkreis kann
noch ein zusätzlicher Widerstand zo in den Erregerkreis eingeschaltet sein. Außerdem
befindet sich im Nebenschlußkreis der Regler =i (Wälzregler), dessen Steuerspule
von der Generatorspannung bzw. Netzspannung gespeist wird. Der Widerstand =o und
die Drosselspule 9 werden nun so gewählt, daß die Zeitkonstante des Erregerkreises
der Gleichstrommaschine möglichst klein und auf jeden Fall kleiner wird als die
durch die Drosselspule 9 vergrößerte Zeitkonstante des Ankerkreises,. damit das
Feld in der Maschine und ihre Ankerspannung schneller zunehmen als der bei Stoßlasten
in ihre Ankerwicklung abgedrängte Strom. Die genaue Ausregelung der Spannung im
stationären Betrieb erfolgt durch den Regler =i, der die Gleichstrommaschine je
nach Bedarf als Motor oder als Generator arbeiten läßt. Die von der ungeregelten
Gleichrichtererregung noch verbliebenen kleinen Unterschiede zwischen Sollwert-
und Istwerterregung werden dadurch mit einer verschwindend kleinen Reglerleistung
ausgeregelt.
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Fig.2 zeigt, wie die durch den Spannungsabfall am Widerstand 8 erreichte
Stabilisierung wirkt. U, stellt den Verlauf der Ankerspannung der Gleichstrommaschine
6 über ihrem Erregerstrom i, dar. Der Spannungsabfall am Widerstand 8 ist lediglich
durch den Belastungszustand des Generators und durch den Strom der Drosselspule
q. bestimmt, ist also von der Spannung an den Schleifringen bzw. am Anker der Gleichstrommaschine
6 unabhängig. Er ist demnach für einen gegebenen Belastungszustand eine Konstante
U$ z, U$ a usw., die zu U6 hinzuzufügen ist, um zu der Spannung am Erregerkreis
von 6 zu
gelangen. Die Spannung U2 am Gleichrichter ist nun durch
den Spannungsabfall am Erregerkreis von 6 gegeben, und man kann durch geringe Neigung
dieser Geraden die Spannung U6 und damit auch U2 in sehr weiten Grenzen und völlig
stabil regeln. In fig. 2 ist mit a ein solcher stabiler Punkt bezeichnet.
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Die geringe Neigung der Geraden Z,'2 erfolgt durch den Regler ii.
Wegen der geringen Neigungsänderung braucht dieser Regler nur für eine sehr kleine
Leistung bemessen zu werden. Dadurch rückt aber der Anwendungsbereich des einfachen
Wälzreglers oder des Kohledruckreglers ganz erheblich hinauf. Unter Umständen kann
der Leistungsverlust im Widerstand 8 zu groß werden. Man kann dies vermeiden, wenn
man den Gleichrichterstrom (auf der Gleichstromseite) in einer besonderen Wicklung
über die Pole der Gleichstrommaschine führt, doch scheitert dies gewöhnlich daran,
daß der Strom dafür zu groß ist. Man kann zwar die Wicklung shunten, doch geht dabei
die Entkopplung der beiden Erregerwicklungen verloren, wodurch die Feldänderung
in der Gleichstrommaschine verlangsamt wird. Auch die Notwendigkeit, eine weitere
Erregerwicklung auf der Gleichstrommaschine vorsehen zu müssen, ist von Nachteil.
plan verwendet daher besser eine Anordnung, wie sie in Fig.3 angedeutet ist. Die
Gleichstrommaschine 6 hat hierbei wie in Fig. i nur eine einzige Erregerwicklung,
die unter Vorschaltung des genügend großen Widerstandes io und des Reglers ii wieder
unmittelbar parallel zum Gleichrichter 2 liegt. Zu dem Nebenschlußerregerstrom wird
jedoch mit Hilfe des Stromwandlers 12 und des zusätzlichen Gleichrichters 13 ein
dem Strom des Gleichrichters :2 verhältnisgleicher Strom in der gleichen Erregerwicklung
überlagert. Der Stromwandler 12 liegt mit seiner Erstwicklung in Reihe zur Zweitwickung
des Gleichrichterumspanners 3 ; er muß daher zwangsläufig stets einen dem Gleichrichterstrom
verhältnisgleichen Strom führen, der durch die Zweitwicklung auf eine geeignete
Größe umgewandelt wird. Die erforderlichen Spannungen am Stromwandler 12 stellen
sich, da es sich um eine Stromschaltung handelt, selbsttätig ein. Der Widerstand
io sorgt seinerseits für eine genügende Unabhängigkeit des reinen Nebenschlußstromes
in der Erregerwicklung von 6, so daß sich die beiden Ströme, ohne sich gegenseitig
zu stören, einwandfrei überlagern können.
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Fig. q. zeigt noch die dabei auftretenden Strom- und Spannungsverhältnisse
im N ebenschlußerregerkreis. U, bedeutet wieder die Ankerspannung der Maschine 6
über ihrem Erregerstrom ie. Bei U6 = o kann über 12 und 13 bereits ein Grunderregerstrom
i13 I; i13], usw. je nach Belastung auf die Erregerwicklung gegeben werden. Die
Spannung am Nebenschlußkreis = Gleichrichterspannung 172 gibt daher nunmehr mit
U, einen stabilen Schnittpunkt, der sich mit der Belastung ändert, aber zugleich
auch durch den Regler ii beliebig gelegt werden kann. Man hat daher wieder die gleiche
Sicherheit in bezug auf stabiles Arbeiten der Gleichstrommaschine 6 im generatorischen
Bereich ohne den Nachteil der Verluste im Widerstand B. Der Stromwandler 12 für
die Zusatzerregung der Gleichstrommaschine 6 kann auch im Stromkreis der Drosselspule
.1 statt im Wechselstromkreis des Gleichrichters 2 liegen. Die Zusatzerregung erfolgt
dann mit einem im wesentlichen konstanten Strom.
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Ein Zahlenbeispiel läßt den erforderlichen Aufwand erkennen. Für einen
Wasserkraftgenerator von 32 ooo kVA bei 83 U/min werde eine Erregerleistung, d.
h. ein Trockengleichrichter von q.5o kV6' benötigt. Wenn die Selbsterregung bei
etwa 40 % der Nenndrehzahl einsetzen soll, ist der Gleichrichterumspanner für etwa
goo kVA, die Drosselspule für etwa i8oo kVA, der Kondensator für etwa 50o kVA zu
bemessen. Für eine zusätzliche Feinregelung um -- 1i °/o benötigt man eine Gleichstrommaschine
für etwa 5o kW, die von einem Kurzschlußläufer für etwa 6o kW,- iSoo U/min angetrieben
wird. Der Widerstand io ist dann für etwa 2 kW zu bemessen, der Regler ii für etwa
5oo W, der Gleichrichter 13 für etwa 3oo W und der Stromwandler 12 für etwa
0,5 kVA. Der Aufwand für das zusätzliche Zubehör ist daher sehr gering.