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Einrichtung zur Erregung von Synchronmaschinen aus dem Drehstromnetz
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Entnahme des Erregerstromes
für eine Synchronmaschine aus dem Drehstromnetz unter Zuhilfenahme von Gleichrichtern.
Es ist bereits der Vorschlag gemacht worden, als Gleichrichter für diesen Zweck
einen Kontaktgleichrichter zu verwenden und diesen zum Zweck der Verbesserung der
Kommutierung mit sogenannten Schaltdrosseln auszurüsten. Unter Schaltdrosseln sind
dabei Drosselspulen zu verstehen, die mit den Schaltkontakten in Reihe liegen und
eine solche Magnetisierungskennlinie besitzen, daß sie bereits bei einem ganz geringen
Bruchteil des Normalstromes sprunghaft ihren Sättigungszustand erreichen und dabei
die vorher vorhandene beträchtliche Induktivität bis auf einen ganz kleinen Rest
verlieren. Diese Schaltdrosseln haben die Wirkung, daß die Stromänderungsgeschwindigkeit
der Kontaktströme in der Nähe des Nulldurchganges stark herabgesetzt wird, so daß
ein längeres Zeitintervall zur Verfügung steht, um den Kontakt der abzulösenden
Phase funkenlos, d. h. mit sehr kleinem Strom, zu öffnen.
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Man kann die Schaltdrosseln in bezug auf den Kontaktgleichrichter,
dessen bewegliche Kontakte zweckmäßig unmittelbar auf der Synchronmaschinenwelle
angeordnet werden, so schalten, daß sie in Stromzweigen liegen, die nur bereits
gleichgerichteten Strom führen. Dann werden sie also immer nur in einer Richtung
von Strom durchflossen und auch nur in einer Richtung magnetisiert. Man kann jedoch
die Schaltdrosseln auch so legen, daß sie in
beiden Richtungen von
Strom durchflossen werden, was den Vorteil hat, daß die Schaltdrosseln besser ausgenutzt
werden. Auf eine solche Schaltung bezieht sich die Erfindung. Sie hat zur Aufgabe,
bestimmte Schwierigkeiten, die sich aus dem Betriebsverhalten der Synchronmaschine
ergeben und die mit der wechselnden Magnetisierung der Schaltdrosseln zusammenhängen,
zu überwinden.
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Worin diese Schwierigkeiten bestehen, möge im folgenden näher auseinandergesetzt
werden. Zu diesem Zweck soll zunächst betrachtet werden, wie der Kommutierungsvorgang
unter dem Einfluß der Schaltdrosseln normalerweise abläuft. In Fig. I bedeuten u
und v die Spannungskurven zweier aufeinanderfolgender Phasen, und es möge angenommen
werden, daß zum Zweck der übergabe der Stromführung von der Phase u an die Phase
v der Schaltkontakt der Phase v im Zeitpunkt t0 geschlossen werde. Die Öffnung des
Kontaktes der Phase u möge dagegen erst im Zeitpunkt t3 erfolgen, so daß eine Kontaktüberlappungszeit
ü vorhanden ist. Der Gleichstrom ist mit Jg bezeichnet, er möge vollständig geglättet
sein. Links von dem Zeitpunkt t0 entspricht der Gleichstrom dem Strom iu der Phase
u, rechts von dem Zeitpunkt t3 dagegen dem Strom iv.
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Da im Augenblick des Zuschaltens der Folgephase v der Strom iv noch
gleich Null ist, so ist die zugehörige Schaltdrossel noch ungesättigt, so daß der
Anstieg von iv und der entsprechende Abfall von iu nur ganz langsam vor sich geht.
Im Punkt t1 erreicht die Schaltdrossel der Phase v ihren Sättigungsstrom is, wodurch
ihre Induktivität fast völlig verschwindet, so daß nunmehr die Änderungsgeschwindigkeit
der Ströme nur noch durch die übrigen Induktivitäten des Stromkreises begrenzt ist.
Sie ist infolgedessen sehr groß, so daß nach einem ganz kurzen, hier übertrieben
lang dargestellten Zeitintervall im Zeitpunkt t2 nunmehr der Strom iu auf die Sättigungsgrenze
abgeklungen ist. Infolge der Entsättigung der Schaltdrossel der Phase u kommt nun
wieder ein Zeitraum mit langsamer Stromänderung, innerhalb dessen der Üffnungszeitpunkt
des Kontaktes der Phase u liegen muß. Die Öffnung erfolgt in dem dargestellten Beispiel
in einem Zeitpunkt t3, in dem der Strom i bereits die Nullinie unterschritten hat.
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Nach einiger Zeit wiederholt sich das beschriebene Spiel, nur daß
jetzt die Phase v die abzulösende Phase ist, so daß nunmehr die dieser Phase zugeordnete
Schaltdrossel in gleicher Weise wie vorher die Schaltdrossel der Phase u von höheren
Strömen herkommend ihre Sättigungsgrenze unterschreitet und wieder entmagnetisiert
wird. Jede Schaltdrossel durchläuft also nacheinander die beiden durch die Stromkurven
iu und iv dargestellten Zustandsänderungen. Da die Schaltdrossel aber außerdem voraussetzungsgemäß
auch noch mit wechselnder Richtung von Strom durchflossen werden soll, so schließt
sich nach erfolgter Entmagnetisierung ein Vorgang an, der genau so verläuft wie
der vorher beschriebene, nur daß jetzt die Magnetisierung der Drossel mit umgekehrtem
Vorzeichen erfolgt. Während des Zeitraumes der geringen Stromänderung, im folgenden
kurz als Stufe bezeichnet, wird nahezu die gesamte in dem Stromkreis wirksaure Spannung
von der Schaltdrossel mittels einer induktiven Gegenspannung aufgenommen. Diese
induktive Gegenspannung setzt eine Flußänderung in der Schaltdrossel voraus, die
nach höheren Werten hin durch den Sättigungsfluß begrenzt ist. Die Stufe entspricht
je nach ihrer Länge einem größeren oder kleineren Spannungszeitintegral, das in
Fig. I durch die entsprechende Fläche f1 bzw. f2 zwischen den Spannungskurven dargestellt
wird. Jedem Spannungszeitintegral entspricht wiederum eine ganz bestimmte Zu- oder
Abnahme des Flusses in der Schaltdrossel, so daß die Länge der Stufe durch drei
Größen, nämlich durch die während der Stufe wirksame mittlere Spannungsdifferenz,
durch den Magnetisierungszustand der Schaltdrossel beim Beginn der Stufe und durch
die Größe des Sättigungsflusses, gegeben ist.
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Die Schaltdrossel wird sich nun, wenn der Strom gleich Null ist, im
allgemeinen nicht in völlig entmagnetisiertem Zustand befinden, sondern es wird
wegen der Remanenz immer noch ein kleiner Fluß vorhanden sein. In Fig. 2, wo die
Magnetisierungskurve einer Schaltdrossel in Form der bekannten Hysteresisschleife
wiedergegeben ist, möge diese Restmagnetisierung dem Punkt A entsprechen. Die Länge
der Stufe beim Einschalten entsprechend der Fläche f1 in Fig. I ist also gegeben
durch die Differenz zwischen dem positiven Sättigungsfluß und dem remanenten Fluß
entsprechend dem Punkt A. Die Magnetisierung der Drossel erfolgt annähernd längs
des Kurvenastes a der Hysteresisschleife. Wird nun die Schaltdrossel bei der Ablösung
der betreffenden Phase wieder entmagnetisiert, so wird sich ein neuer Zustand der
Restmagnetisierung einstellen, der mit dem Ausgangszustand entsprechend dem Punkt
A im allgemeinen nicht übereinstimmen wird. Wie groß die übrigbleibende Restmagnetisierung
ist, hängt von dem Öffnungszeitpunkt t3 des zugehörigen Kontaktes ab, da durch diesen
ja die Fläche f2 und damit die gesamte Flußänderung bei der Entmagnetisierung, ausgehend
von dem Sättigungsfluß, begrenzt ist. Bei dem nächsten Stromübergabevorgang besitzt
also die Drossel eine andere Restvormagnetisierung, was zu Kommutierungsschwierigkeiten
führt, wenn die Magnetisierung der Drossel nunmehr mit umgekehrtem Vorzeichen erfolgen
muß. Aus Symmetriegründen ist ein stationärer Zustand nur dann erreichbar, wenn
die Punkte A und B, von denen die Magnetisierung der Schaltdrossel in den beiden
verschiedenen Richtungen ausgeht, symmetrisch zur Nullinie liegen, wie das in Fig.
2 ,dargestellt ist. Die Drossel müßte also in diesem Fall, nachdem sie, vom Punkt
A ausgehend, längs .des Kurvenastes a. bis in .den Sättigungszustand gebracht wurde,
über den Kurvenast b wieder so entmagnetisiert werden, daß ihr magnetischer Zustand
im Öffnungszeitpunkt des Kontaktes dem Punkt B entspricht. In diesem Falle müßte
also, wie das auch in Fig. i wiedergegeben ist, der Öffnungszeitpunkt t3 so liegen,
daß der
Strom des abzulösenden Kontaktes bereits einen kleinen negativen
Wert erreicht hat. Die Fläche f2 würde dann etwas größer sein müssen als die Fläche
f1.
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Wenn man annimmt, daß die speisende Wechselspannung konstant bleibt,
so ließe sich durch geeignete Wahl der Kontaktüberlappung ü dieser Zustand wohl
aufrechterhalten. Schwankt aber die Wechselspannung oder wird die Synchronlage der
Schaltzeitpunkte in bezug auf die Spannungshalbwellen verschoben, so wird das gegenseitige
Verhältnis der Fläche f1 und f2 geändert, so daß die Symmetrie der Punkte A und
B gestört wird. Es ergibt sich dann bei wechselnder Magnetisierung der Schaltdrosseln
ein unstabiler Zustand, der leicht dazu führen kann, daß der Ausgangszustand der
Drossel eine bei dem gegebenen Ausschaltzeitpunkt zur funkenfreien Kommutierung
hinreichende Stufenlänge ausschließt. Mit Schwankungen der Wechselspannung muß aber
ebenso wie mit Änderungen der Synchronlage der Schaltzeitpunkte immer gerechnet
werden. Letztere kann beispielsweise zum Zweck der Regelung notwendig werden. Sind
die Kontakte unmittelbar mit der Synchronmaschine gekuppelt, so werden auch Drehmomentänderungen
der Synchronmaschine eine Änderung der Synchronlage der Kontakte zur Folge haben.
Man könnte an sich die für den stabilen Betrieb notwendigen Verhältnisse dadurch
wiederherstellen, daß man die Überlappungszeit entsprechend ändert. Dies ist jedoch
aus konstruktiven Gründen nicht ohne weiteres möglich, so daß man mit einer festen
Überlappungszeit rechnen muß.
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Um trotzdem bei wechselnder Magnetisierung der Schaltdrosseln in jedem
Fall stabile Verhältnisse zu erzielen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die
Schaltdrosseln jeweils vor dem Schließungszeitpunkt des zugehörigen Stromzweiges
bis zum Knie ihrer Magnetisierungskurve vorzumagnetisieren oder, mit anderen Worten,
dafür zu sorgen, daß der Ausgangszustand der Drossel immer bereits der gesättigte
Zustand ist. Dann fällt naturgemäß die Anfangsstufe zwischen den Zeitpunkten t0
und t1 praktisch fort, und es beginnt in dem Augenblick des Zuschaltens bereits
die rasche Stromänderung. Der Strom in der Folgephase setzt also praktisch im Augenblick
des Schließungszeitpunktes ein. Für die Funkenfreiheit der Kommutierung macht dies
nichts aus, da ja hierfür, wie oben gezeigt, lediglich die Ausschaltstufe maßgebend
ist. Wird aber gemäß der Erfindung die Drossel künstlich vor Beginn des Kommutierungsvorganges
immer wieder in den Zustand der Sättigung geführt, so ist es völlig gleichgültig,
welchen Restmagnetismus sie nach Beendigung jedes Magnetisierungszyklus beibehält.
Es muß nur dafür gesorgt sein, daß die sich aus den Abmessungen der Drossel ergebende
maximale Flußänderung mit Sicherheit eine hinreichend große Stufe bei der Abschaltung
gewährleistet.
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Zur Hervorrufung des zur Vormagnetisierung nötigen Stromes können
Widerstände verwendet werden, die die Kontakteinrichtung überbrücken und für die
Spannungsquelle und die damit in Reihe geschalteten Drosseln einen geschlossenen
Stromkreis bilden. Dann fließt in der Drossel bereits vor dem eigentlichen Kontaktschluß
ein Strom, der durch die Wahl der Widerstände so bemessen werden kann, daß er die
Drossel bis zum Knie der Magnetisierungskurve vorerregt. Man kann aber auch die
Drosseln mit besonderen Vormagnetisierungswicklungen ausrüsten und diese in geeigneter
Weise erregen.
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Ein Ausführungsbeispiel für die letztgenannte Möglichkeit zeigt Fig.
3. Die Ständerwicklungen 2 der Synchronmaschine I speisen das Netz U, V, W. Die
Schaltung ist so ausgeführt, daß eine Kompoundierung der Synchronmaschine erreicht
wird. Zu diesem Zweck wird dem Netz zunächst über den Transformator 5 eine Spannungskomponente
entnommen, der noch eine zweite stromabhängige Spannungskomponente hinzugefügt wird.
Diese zweite Komponente wird den Sekundärwicklungen der in Reihe mit dem Netz geschalteten
Drosselspulen 4 entnommen. Die Sekundärwicklungen der Drossel 4 sind mit den entsprechenden
Sekundärwicklungen des Transformators 5 in Reihe geschaltet. Der Transformator 5
ist sekundärseitig in Zickzack geschaltet, damit sich die vom Transformator 5 und
die von der Drossel 4 gelieferten Spannungen unter einem günstigsten Winkel zusammensetzen,
bei dem eine große Unabhängigkeit der Generatorspannung von cos 9 der Generatorbelastung
auftritt.
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Der Gleichrichter selbst, der mit 9 bezeichnet ist, besteht aus einem
kommutatorähnlichen Körper mit vier umlaufenden Kontaktsegmenten, die paarweise
diametral miteinander verbunden und über die Schleifringe Io an die Erregerwicklung
3 der Synchronmaschine I angeschlossen sind. Die Schleifringe können fortfallen,
wenn die Möglichkeit besteht, die Verbindungsleitungen zu der Erregerwicklung etwa
durch die hohle Welle der Synchronmaschine hindurchzuführen. Die Ausführung des
Kommutatorkörpers mit vier Kontaktstücken entspricht einer vierpoligen Ausgestaltung
der Synchronmaschine. Auf dem Kommutatorkörper schleifen sechs Bürsten, die an die
freien Wicklungsenden der einzelnen Phasen des Speisekreises u, v, w bzw. x, v,
z angeschlossen sind.
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In Reihe mit den Bürsten u, v, w liegen die Schaltdrosseln 6. Jede
dieser Schaltdrosseln besitzt eine Vormagnetisierungswicklung. Diese Vormagnetisierungswicklungen
sind mit 7 bezeichnet. Sie sind so geschaltet, daß jede von ihnen in dem Stromkreis
der zeitlich vorangehenden Phase liegt. Der Wicklungssinn der Vormagnetisierungswicklung
ist so gewählt, daß die Drossel vor dem Einschaltzeitpunkt in dem gleichen Sinn
erregt wird, wie es nachher durch den ihre Arbeitswicklung durchfließenden Strom
geschieht. Durch den Schalter 8 können die Schaltdrosseln 6 samt ihren Vormagnetisierungswicklungen
7 überbrückt werden, damit beim Beginn des S:elbsterregungsvorganges der Synchronmaschine
der wirksame Widerstand des Erregerkreises möglichst klein gehalten werden kann.
Andernfalls könnte nämlich die Induktivität
der Schaltdrosseln eine
Selbsterregung verhindern. An Stelle des Schalters 8 kann auch ein Schütz verwendet
werden, das über ein Relais so lange erregt wird, bis der Erregerstrom genügend
angestiegen ist.
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Die Erfindung bezieht sich zwar in erster Linie auf die Erregung von
Synchronmaschinen. Es sind jedoch auch Fälle denkbar, in denen ganz gleichartige
Verhältnisse vorliegen. Auch in diesen Fällen wäre daher die Erfindung mit gutem
Erfolg zu verwenden.