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Einrichtung zur Erregung von Synchronmaschinen Die Erfindung bezieht:
sich auf die Erregung von Synchronmaschinen aus einem Drehstromnetz, insbesondere
aus dem von der Synchronmaschine selbst gespeisten Netz. Es ist bekannt, als Gleichrichter
für die Umformung des dem Netz entnommenen Wechselstroms in den Erregergleichstrom
Kontaktgleichrichter zu verwenden, die beispielsweise nach Art eines Kommutators
ausgebildet und unmittelbar auf der Welle der Synchronmaschine angeordnet sein können.
Es ist weiterhin bereits vorgeschlagen worden, zur Verbesserung der Kommutierung
in solchen Fällen mit den Kontakten der Gleichrichteranordnung sogenannte Schaltdrosseln
in Reihe zu schalten, d. h. Drosselspulen, die bereits bei einem Strom, der nur
einen geringen Bruchteil des normalen Erregerstroms ausmacht, ihren Sättigungszustand
erreichen und dann im Gegensatz zu dem entsättigten Zustand nur noch eine verschwindend
kleine Induktivität besitzen. Die. Erregung von Synchronmaschinen über Gleidhrichter
wird im allgemeinen in der Form ausgeführt, daß eine Erregerkomponente von der Spannung
und eine andere von dem Strom des Drehstromnetzes abhängig ist. Zu diesem Zweck
benutzt man eine von dem Belastungsstrom der Maschine durchflossene Drossel, deren
Spannung zusätzlich zu einer der Spannung des Drehstromnetzes verhältnisgleichen
Wechselspannung in den Wechselstromkreis des Gleichrichters eingeführt wird. Häufig
ist es nun erwünscht, den Erregerstrom auf andere Weise durch eine selbsttätige
Regeleinrichtung in Abhängigkeit von irgendwelchen Betriebsgrößen zu
regeln,
wobei diese Regelung dann auch noch zusätzlich zu der oben beschriebenen Kompounderregung
angewendet werden kann. Ein solcher selbsttätiger Regler kann beispielsweise den
Zweck haben, die Spannung der Maschine genau konstant zu halten.
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Die Erfindung bietet bei Erregung über Schaltgleiehrichter mit Schaltdrosseln
die Möglichkeit, diese selbsttätige Regelung mit sehr einfachen Mitteln durchzuführen.
Gemäß der Erfindung werden die zur Kommutierungsverbeserung dienenden Schaltdrosseln
zu diesem Zweck in Abhängigkeit von den für die Regelung maßgebenden Betriebsgrößen,
z. B. von der Spannung oder dem Strom der Maschine, veränderlich vormagnetisiert.
Da, wie schon erwähnt, die Sättigungsdurchflutung der Schaltdrosseln außerordentlich
niedrig liegt, genügt ein sehr geringer Vormagnetisierungsstrom, um erhebliche Änderungen
des Erregerstroms der Maschine zu erzielen. Infolgedessen sind auch die Regeleinrichtungen
in dein Vormagnetisierungsstromkreis nur für sehr geringe Stromstärken zu bemessen.
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Die Möglichkeit der Erregerstromregelung durch veränderliche Vormagnetisierung
der Schaltdrosseln ergibt sich aus folgenden Überlegungen: Die Geschwindigkeit,
mit der sich beim Einschalten eines Kontakts des Kontaktgleichrichters der Strom
in diesem Kontakt und dem zunächst noch eingeschalteten Kontakt der vorangehenden
Phase ändert, richtet sich nach der gerade vorhandenen Induktivität der Schaltdrosseln
in diesem Stromkreis. Im ersten Augenblick des Zuschaltens des Folgekontakts ist
die mit diesem in Reihe geschaltete Schaltdrossel noch nicht gesättigt, so daß ihre
Indukivität groß und damit die Änderungsgeschwindigkeit des Stroms zunächst sehr
klein ist. Es vergeht somit nach dem Züschaltaugenblick eine gewisse Zeit, bis überhaupt
erst einmal in dem zugeschaltetem Kontakt der sehr niedrige Sättigungsstrom erreicht
ist.
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Bis zu diesem Zeitpunkt findet wegen der Kleinheit des Sättigungsstroms
eine nennenswerte Verlagerung der Stromführung von dem abzulösenden Kontakt auf
den Folgekontakt nicht statt. Erst wenn die Schaltdrossel des Folgekontakts ihren
Sättigungszustand erreicht hat und ihre Induktivität praktisch verliert, geht die
eigentliche Stromübergabe auf den Folgekontakt vor sich. Eine Vormagnetisierung
der Schaltdrosseln hat nun zur Wirkung, daß der Strom in der Arbeitswicklung, bei
dem die Sättigung erreicht wird, einen anderen Werterhält. Folglich ändert sich
auch die Zeitdauer, die, vom Einschaltzeitpunkt aus gerechnet, bis zu dem eigentlichen
Übergang der Stromführung auf den Folgekontakt vergeht. Man hat also bei gegebenem
Einschaltzeitpunkt durch die Vormagnetisierung der Schaltdrossel den Eintritt des
Stromüberganges weitgehend in der Hand. Je später aber dieser Stromübergang eintritt,
um so kleiner wird der Mittelwert der gleichgerichteten Spannung und damit der Erregerstrom
der Synchronmaschine.
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Für die Anordnung der Schaltdrosseln innerhalb der ganzen Gleichrichterschaltung
bestehen verschiedene Möglichkeiten. Man kann in dieser Hinsich zwei Gruppen von
Möglichkeiten unterscheiden. Bei der ersten Gruppe liegen die Schaltdrosseln in
solchen Stromzweigen, die bereits von gleichgerichtetem Strom durchflossen werden,
während sie im zweiten Fall in wechselnder Richtung Strom führen. In den Fällen,
in denen die Schaltdrosseln nur in einer Richtung von Strom durchflossen werden,
kann die Vormagnetisierung durch Gleichstrom erfolgen. Müssen dagegen die Schaltdrosseln
ihre verzögernde Wirkung bei wechselnder Stromrichtung ausüben, so würde bei einer
Vormagnetisierung durch Gleichstrom die Sättigungsgrenze das eine Mal erhöht und
bei der anderen Stromrichtung erniedrigt werden. In diesem Fall ist es erforderlich,
die Vormagnetisierung ebenfalls mit wechselnder Stromrichtung vorzunehmen. _ In
Fig. I ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Kompounderregerschaltung einer
Synchronmaschine dargestellt, bei der die Schaltdrosseln im Gleichstromkreis liegen
und somit mit Gleichstrom vormagnetisiert werden können. Der Ständer 2 der Synchronmaschine
I speist das Drehstromnetz UVW. Zur Entnahme einer der Spannung des Drehstromnetzes
proportionalen Erregerstromkomponente dient der Spannungstransformator 5, der primärseitig
in Stern geschaltet ist, dessen Sekundärwicklungen jedoch nicht miteinander verkettet
sind. In Reihe mit jeder Sekundärwicklung des Transformators 5 liegt eine Sekundärwicklung
des Stromwandlers 4, dessen Primärwicklungen mit dem von der Maschine gespeisten
Netz in Reihe liegen, so daß an den Sekundärwicklungen Spannungen auftreten, die
dem Belastungsstrom der Maschine etwa proportional sind. Die Summe dieser Spannungen
wird nun dem Kontaktgleichrichter 6 zugeführt, der nach Art eines Kommutators ausgebildet
ist und entsprechend den sechs freien Wicklungsenden u, v, w bzw. x, y, des Wechselstromkreises
sechs mit den gleichen Bezeichnungen versehene Wechselstrombürsten besitzt. Die
an den gleichen Wicklungsstrang angeschlossenen Bürsten, z. B. die Bürsten u und
x, sind dabei um I8o° gegeneinander versetzt angeordnet. Die weiterhin vorhandenen
Bürsten a, b und c bzw. a', b' und c' sind an den Gleichstromkreis angeschlossen,
wobei in die Zuleitungen zu den Bürsten a, b und c noch je eine der Schaltdrosseln
7 eingeschaltet ist. Die Kontaktstücke auf dem umlaufenden Teil des Kontaktgleichrichters
6 sind so verteilt und miteinander verbunden, daß bei der angenommenen vierpoligen
Ausführung der Maschine beide Halbwellen des Wechselstroms gleichgerichtet werden.
Die anderen Enden der Schaltdrosseln 7 sind an den einen Pol der Erregerwicklung
3 angeschlossen, deren zweiter Pol finit den Bürsten ti , b' und c' verbunden
ist.
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Außer den Arbeitswicklungen besitzen die Schaltdrosseln 7 noch d 'ie
Sekundärwicklungen Si', die miteinander in Reihe geschaltet sind und aus der Gleichstromquelle
q gespeist werden. Uni die Größe des Gleichstroms in den Vorinagnetisierungswicklungen
8
zu beeinflussen, ist der Kohledruckregler I4. vorgesehen, dessen Erregerspule I5
an einer Phase des Drehstromnetzes liegt. Der Kohledruckregler umfaßt zwei Widerstandssäulen
I2 und I3, die durch das bewegliche Regelglied in entgegengesetztem Sinn beeinflußt
werden und die zusammen mit den Widerständen IO und II eine Brückenschaltung bilden.
Die hintereinandergeschalteten Vormagnetisierungswicklungen 8 der Schaltdrosseln
sind in diese Brückenschaltung so eingeschaltet, daß je nach der Kraft, die durch
die Erregerspule I5 auf den Kohledruckregler ausgeübt wird, der Vormagnetisierungsstrom
mit veränderlicher Stärke in der einen oder der anderen Richtung die Wicklungen
8 durchfließt. Auf diese Weise kann die Sättigungsgrenze der Schaltdrosseln gegenüber
ihrer natürlichen Lage sowohl erniedrigt als auch erhöht werden. Es ergibt sich
damit ein sehr weiter Regelbereich für die gleichgerichtete Spannung und damit den
Erregerstrom in der Wicklung 3. Im Vormagnetisierungskreis wird zweckmäßig noch
eine Glättungsdrossel zur Absperrung der Wechselspannungen angeordnet. Die Vormagnetisierung
kann auch durch eine ruhende Regelanordnung z. B. von der Netzspannung über Schaltungen
mit gesättigten Drosseln und Gleichrichtern vorgenommen werden.
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Es wird im allgemeinen anzustreben sein, die Schaltdrosseln so anzuordnen,
daß die Vormagnetisierung durch Gleichstrom erfolgen kann, da dies einfacher ist
als die Vormagnetisierung durch Wechselstrom. Voraussetzung hierfür ist, wie oben
auseinandergesetzt, daß die Arbeitswicklungen der Schaltdrosseln nur in einer Richtung
von Strom durchflossen werden. Sind die Schaltdrosseln wie in Fig. I auf der Gleichstromseite
angeordnet, so ist diese Voraussetzung von vornherein erfüllt. Häufig ist es jedoch
notwendig, die Schaltdrosseln auf der Wechselstromseite anzuordnen. Auch in diesem
Fall läßt es sich erreichen, daß die Schaltdrosseln stets nur in derselben Richtung
Strom zu führen brauchen, wofür Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel zeigt. Die Erregerspannungen
werden wiederum aus dem Transformator 5 und den Stromwandlern 4 entnommen. Hier
bilden jedoch die Arbeitswicklungen der Schaltdrosseln I7 zusammen mit den zugehörigen
Schaltkontakten des Gleichrichters eine Graetz-Schaltung, innerhalb deren jeder
Schaltkontakt und damit die in Reihe mit ihm liegende Schaltdrossel und immer nur
die eine Halbwelle der zugehörigen Phase Strom zu führen braucht. Der Kontaktapparat
ist zu diesem Zweck in zwei Einzelkommutatoren aufgelöst, auf deren einem die Bürsten
U bis Z schleifen, während der andere die an die gleichen Wicklungsenden angeschlossenen
Bürsten U' bis Z' umfaßt. Die Erregerwicklung 3 ist mit ihren beiden Enden an die
umlaufenden Kontaktstücke der beiden Kommutatoren fest angeschlossen, so daß sich
hier keine höhere Bürstenzahl ergibt als bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. I.
Die Verbindungsleitungen zwischen der Erregerwicklung und den umlaufenden Kontaktstücken
können beispielsweise durch die hohle Welle der Maschine geführt sein. Die Vormagnetisierungswicklungen
I8 der Schaltdrosseln, die wiederum aus einer Gleichstromquelle 9 über nicht näher
dargestellte Regelanordnungen gespeist werden, sind ebenso wie die Arbeitswicklungen
der Schaltdrosseln in zwei Gruppen unterteilt, welche gegensinnig hintereinandergeschaltet
sind, wie es mit Rücksicht auf die Verschiedenheit der Stromrichtungen in den Arbeitswicklungen
der beiden Schaltdrosselgruppen nötig ist. Die die Kommutatoren 2I und 22 speisenden
Schaltdrosseln können auch in eine Schaltdrossel mit Mittelanzapfung vereinigt werden,
so daß dann insgesamt nur drei Schaltdrosseln erforderlich sind. Die gezeigten Ausführungsbeispiele
sind natürlich nicht die einzigen Schaltungsmöglichkeiten. Es läßt sich noch eine
ganze Reihe anderer Schaltungskombinationen entwerfen, bei denen die Schaltdrosseln
entweder im Wechselstromkreis oder im Gleichstromkreis liegen. Die Anordnung der
Schaltdrosseln derart, daß sie von Strom wechselnder Richtung durchflossen werden,
hat den Vorteil, daß die Schaltdrosseln besser ausgenutzt werden, aber, wie oben
erwähnt, den Nachteil, daß zur Vormagnetisierung Wechselstrom verwendet werden muß.
Die Entscheidung über die Schaltung der Schaltdrosseln muß daher von Fall zu Fall
unter gegenseitiger Abwägung dieser Verhältnisse getroffen werden.
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Soll sich die Maschine bei Inbetriebsetzung selbst erregen, so ist
es zweckmäßig, die Schaltdrosseln zunächst kurzzuschließen oder bis über die Sättigungsgrenze
vorzumagnetisieren. Andernfalls würde nämlich die Induktivität der Schaltdrosseln
bei den zuerst nur geringen Erregerströmen beträchtlich sein und eine nennenswerte
Erregung nicht zustande kommen lassen. Durch dass Kurzschließen wird auch noch die
Restinduktivität der Schaltdrosseln beseitigt.
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Häufig wird gefordert, daß der Erregerstrom bei sonst gleichbleibenden
Verhältnissen von etwaigen Widerstandsschwankungen der Erregerwicklung, beispielsweise
infolge von Temperaturänderungen, unabhängig bleibt. Das läßt sich sehr einfach
dadurch erreichen, daß man parallel zu der Wechselstromseite des Kollektorgleichrichters
Kapazitäten schaltet, die mit den induktiven Widerständen des Wechselstromkreises,
also beispielsweise den Induktivitäten der Kompoundschaltung, auf Resonanz abgeglichen
sind. Es ergibt sich dann eine Reihenschaltung .von Induktivität und Kapazität,
wobei die Erregerwechselspannung an den Kapazitäten abgegriffen wird. Es ist bekannt,
daß eine solche Schaltung die Wirkung hat, daß der Strom in dem Parallelkreis des
Kondensators unabhängig von dem Widerstand praktisch konstant bleibt. Bei der Verwendung
von Schaltdrosseln wird hierdurch gleichzeitig noch der Vorteil erreicht, daß die
Schaltdrosseln verkleinert werden können. Eine Verkleinerung der Schaltdrosseln
ist auch dadurch möglich, daß man bei der Kompoundschaltung an Stelle der sonst
zur Entnahme der stromabhängigen Erregerstromkomponente verwendeten Drosseln Kapazitäten
benutzt. Hierdurch wird die gesamte
Kommutierungszeit herabgesetzt,
so daß das von den Schaltdrosseln aufzunehmende zeitliche Spannungsintegral ebenfalls
verkleinert wird. Bei der Erregung größerer Maschinen, die sehr starke Erregerströme
benötigen, kann man die Kontakte in mehrere parallele Kontaktgruppen aufteilen,
wobei jede Kontaktgruppe mit besonderen, nur dieser Gruppe zugeordneten Schaltdrosseln
in Reihe geschaltet ist. Dadurch wird der Gesamtstrom, der noch funkenlos kommutiert
werden kann und der für jede Kontaktstelle etwa in der Größe von I Amp. liegt, auf
ein Mehrfaches heraufgesetzt.