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Anordnung zur Spannungsregelung von Synchronmaschinen Die Erfindung
betrifft eine Anordnung zur Spannungsregelung von Synchronmaschinen mit Hilfe eines
Gleichrichters. (Entladungsgefäß), der die Erregerwicklung der Synchronmaschine
aus dem Wechselstromnetz unmittelbar oder mittelbar speist.
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Nach denn Patent 648 302 ist der Transformator des Gleichrichters
mit einem von, der Belastung der Synchronmaschine unabhängigen Scheinwiderstand
in Reihe geschaltet, dessen Leistung ein Vielfaches der über ihn an den Gleichridh,tertransformator
gelieferten Leistung ist. Dem Gleichrichtertransformator kamn dabei über einten
Compoundtran:sformator noch der Strom der Synchronmaschihe überlagert werden, der
eine selbsttätige Verstärkung der Erregung bei Belastung (Aufhebung der Ankerrückwirkung)
bewirkt. Das diesen Schaltungen gemeinsame Prinzip ist in Fig. i für das Beispiel
eines Drehstromgenerators nochmals dargestellt. Mit i ist der Generator angedeutet,
mit z als Gleichrichter ein Entladungsgefäß, mit 3 dessen Transformator. Die spannungsabhängige
Stromkomponente 11 wird durch dem Strom eines. Scheinwiderstandes, angedeutet
ist eine Drossel q., gebildet und über den Stromtransformator 5 abgenommen; ein
zweiiteir Stromtransformator 6 Iiefert, vom Generatorstrom abgenommen, die Last-Strom-Komponente
J2. Die Drosselleistung ist ein Mehrfaches der durch den Stromtransformator 5 entnommenen
Wirkleistung; ebenso ist die Generatorleistung groß gegenüber der durch dien Stromtransformator
6 entnommenen Leistung, so daß eine gegenseitige Beeinflussung der
Stromkomponenten
bei dar Überlagerung im Gleichrichter 2 nicht stattfinden. kann.
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In Fig. 2 ist ein Zeigerdiagramm dargestellt, das die Generatorspan.nung
U und den Generatorstrom J bei induktiver Belastung unter einem Phasenwinkel (p
zeigt sowie die der Generatorspa..nnumg U unter 9o° .nacheilende Stromkompo@nent°_
J1, die mit leim Generatorstrom. J phaseingleiche Stromkomponente J2 sowie die geometrische;
Summe J12 aus 11 und J2. Fig. 3 zeigt, wie die Größe dieser Summe J12 sich
ändert, wenn der Generator von Leerlauf zu Vollast übergeht oder wenn bei konstantem
Vollaststrom der Phasenwinkeil rp sich von o bis 9o° ändert. Diese Darstellung zeigt
auch, daß die Stromsumme J12, die im Gleichrichtertransformator auftritt und für
die Größe des Errege.rstrümes wie auch für die Phasenlage des Anodenstromes maßgebend
ist, je nach der Belastung des Generators. verschiedene Phasenlage gegenüber der
Geineratorspannung haben kann: und daß der Winkel zwischen U und. J12 sogar dann,
sich ändern kann, wenn der Generatorstrom bei konstantem Leistungsfaktor cos T sich
ändert. Bei Generatoren normaler Bauart, bei denen der Erregerstrom bei Nennstrom
und cos cp-o sich zum LeerlaufeTrege.rstrom etwa wie 2 : i verhält, kann sich der
Strom J12 im ganzen Belastungsbereich des Generators mit den Grenzen cos (p =i und
cos (p =o (induktiv) in einem Bereich vorn insgesamt rund 45°, d. h. gegenübeir
der Generatorspannung von rund 45 bis 9o°, verdrehen.
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Bei allen, diesen Regelungen, die sich durch die Größe des Compoundierungsgrad#es
unterscheiden, beträgt bei normal gebauten Maschinen die allein durch die Compounderregung
mit zwei Stromkomponenten ohne jede zusätzliche Regelung eirzielte Genauigkeit der
zu regelnden Größd (Spannung bzw. Blindlast bzw. Leistungsfaktor) wenige Prozent
positiver oder negativer Abweichung. In manchen Fällen, wird diese Genauigkeit für
den. Betrieb genügen; in vielen Fällen jedoch ist darüber hinaus- eine Feinregelung
für dien Betrieb unerläßlich. Zu diesem Zweck wurde bereits die Gittersteuerung
des Gleichrichtergefäßes vorgeschlagen. Es ist nach Vorstehendem klar, daß die Gittersteuerung
dabei stets nur einen kleinen Regelbereich (den Korrekturbereich der Fein-Aus,-Regelung)
zu überstreichen hat, also unter besonders günstigen Voraussetzungen arbeitet. Bei
der Anordnung nach Fig. i der Zeichnung kann man, die Größe des dein Synchrongenerator
zugeführten Erregerstromes nicht ohne weiteres mit Hilfe einer normalen Gittersteuerung
an dem Gleichrichter 2 regeln, da der Strom am Gleichrichter durch den Scheinwiderstand
4 und durch den Scheinwiderstand der Synchronmaschine i vorgeschrieben wird. Eine
Gittersteuerung würde nur die primäre Spannung des Gleichrichtertra:nsformators
und den Leistungsfaktor der aus dem Netz entnommenen Leistung verändern. Dementsprechend
sind in den Patenten 703970 und 7o6 457 besondere Schaltungen beschrieben,
die eine Regelung des. Erregerstromes des Generators mit Hilfe der Gittersteuerung
am Erregergleichrichtertransformator gestatten. Fig. 4 der Zeichnung zeigt eine
ähnliche Schaltung. Es darf stets nur ein Teil der vorhandenen. Anoden, des Gleiichrichters
gesteuert werden, beispielsweise von sechs vorhandenen. Anoden eines Gefäßes nur
drei, -,vie dargestellt, oder von mehreren. vorhandenen Gefäßen nur ein Teil deir
Gefäße. Bei allen diesen Schaltungen wechseln sich die ungesteuerten, und gesteuerten
Anoden in der Stromführung dauernd ab, und zwar arbeitest innerhalb einer Halbperiode
jeder Strom- bzw. Spannungsphase stets zuerst allein. eine urigesteuerte, (wobei
die gesteuerten Anoden gesperrt sind) und danach nach Aufheben der Gittersperrung
eine gesteuerte Anode.
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Bei der Schaltung nach FG. 4 arbeiten nur die ungeste:uerten Anoden
7 des Gledchrichtergefäßes 2 auf den Nutzkreis (inunserem Beispiel die Erregerwicklung
des Generators i), während. die gesteuerten Anoden 8 auf einen vollkommen getrennten
Parallelkreis arbeiten, der gleichstromseitig einen einstellbaren Widerstand 9 enthalten.
oder kurzgeschlossen sein kann; die gesteuerten. Aboden.8 sind an ein Trans.formatorwicklungssystem
io des Gleichrichtertra:ns.formators 3 angeschlossen" das von dem Wiicklungssystam
i i der unge@steuerten Anoden, 7 elektrisch ganz getrennt ist, aber magnetisch mit
jenem durch Anordnung auf dienselben, Tra:nsformatorschenkeln gut verkettet ist.
Zunächst sind die, gesteuerten Anoden. 8 gesperrt, und es brennt eine: urigesteuerte.
Sobald die gesteuerten Anoden freigegeben werden, übernehmen eine oder mehrere,
gesteuerte Anoden, die gerade positive Spannung führen., teilweise oder ganz den
Strom für den restlichen Teil der begonnenen Halbperiode, je nach dem Wert des Widerstandes
im Parallelkreis g. Der ganze Strom wird vom Parallelkreis übernommen, wenn sein
Widerstand Null ist. Während dieses zweiten Teiles der Halbperiode sinkt des Magnetisierungszustand
des ganzen Transformators a1>.
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Sobald die Spannung der nächsten urigesteuerten Anode größer als die
der gerade stromführenden gesteuerten wird, übernimmt erstere allein den Strom,
und der Transformatorfluß steigt wieder auf den früheren Wert usw. Der Strom wechselt
also ständig zwischen dem Nutzkreis und dem Parallelkreis (Kurzschlußkreis) hin
und. hqr. Der Nutzgleichstrom ist bei Teilaussteuerung gleich dem Mittelwert aus
den zeitlich unterbrochenen, im Kreis fließendien Stromfetzen. Durch Verschieben
der Lage des Zündzeitpunktes wird der zeitliche Anteil für die beiden Stromkreise
gegeneinander und damit der Mittehvert des Nntzstromcs geändert. Beim Höchstwert
des Nutzstromes brennen nur die urigesteuerten Anoden, die gesteuerten sind ganz
gesperrt. Im anderen Grenzfall brennen nur die gesteuerten Anoden, der Kleinstwert
des Nutz-' stromes ist Null.
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Nah verwandt mit dieser beschriebenen ist die Wirkungsweise der in
Fig. 5 dargestellten. Schaltung. Auch hier wechselt die Größe des Nutzstromes innerhalb
jeder Halbperiode bei Teilaussteuerung zwischen einem kleinsten und eii.nem
größten
Wert. hin und her, welche gleichzeitig die Grenzwerte des Nutzstromes bei Vollaussteuerung
bzw. Aussteuerung Null darstellen. Bei dieser Schaltung aber arbeiten alle Anoden
auf den Nutzkreis. Die gesteuerten Anoden 8 sind an höhere Wendungszahlen der Gleichrichtertransformatorsekundärwicklung
angeschlossen als die umgesteuerten Anoden 7, führen daher höhere Spannung als letztere,
dagegen kleineren Strom, da ja der primär zugeführte Strom und die primären Amperewindungen
konstant vorgegeben sind. Bei Freigabe der gesteuerten Anoden innerhalb einer Halbperiode
übernimmt eine gesteuerte Anode den Strom voni der igerade, Strom führenden umgesteuerten
vermöge ihrer höheren Momentanspannung und gibt ihn erst wieder an eine unges.teuerte
ah, wenn deren Momentanspannung größer als die der gesteuerten wird. Der Strom tanzt
also auf und ab zwischen einem größten Wert (bei Betrieb der umgesteuerten Anoden)
und einem kleinsten (bei Betrieb der gesteuerten Anoden); ebenso ändert sich der
Magnetisierungszu-stand des Transformators dauernd zwischen einem Kleinst- und einem
Größtwert. Der Gleichstrom entspricht bei Teilaussteuerung wieder einem Mittelwert
aus beiden. Grenzwerten; die Größe des Mittelwertes kann mit der Phasenlage der
Steuerimpulse, d. h. mit der anteiligen Zeitdauer der Stromführung der beiden Anodengruppen,
geändert werden. Während bei der Schaltung Big. 4 der Kleinstwert des Gleichstromes
Null war, der Nutzstrom also auch bis Null herabgeregelt werden konnte, ist bei
der Schaltung Fig. 5 der Kleinstwert des Nutzstromes ein positiver endlicher Wert,
bei letzterer Schaltung ist also auch der Steuerbereich kleiner als bei der Schaltung
Fig.4. Es wurde aber oben schon. gezeigt, daß in der Stromschaltung mit Zusammensetzung
des Nutzstromes aus zwei «Techselstromkomponenten überhaupt nur noch ein sehr kleiner
Feinregelbereich nötig ist, so daß der Regelumfang bei der Schaltung Fig. 5 vollauf
genügt. Bei der Schaltung Fig.5 sind die Wicklungen der gesteuerten und der umgesteuerten
Anoden getrennt, so d@aß, beispielsweise bei sechs Anoden., eine sechsphasige Sternschaltung
entsteht.
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Bei allen diiesen Schaltungen -ist die Anwendung von Glättungskondensatoren
zweckmäßig, welche gleichstromseitig oder wechselstromseitig hier auf der Transformatorprimär-
oder -sekundärseite angeschlossen werden können..
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Die Erfindung bezieht sich nun auf eine besonders zweckmäßige Erregung
der Steuergitter an dem die Erregerwicklung der Synchronmaschine speisenden oder
für diese Speisung dienenden Gleichrichter. Erfindungsgemäß ist die zur Herstellung
der Gittersteuerung dienende Eingangsspannung oder der Eingangsstrom des Gittersteuergerätes
proportional dem Primär- oder Sekundärstrom des Gleichrichtertransformators, so
daß sie der bei wechselnder Generatorbplastung gegenüber der Generatorspan.nung
sich ändernden Phasenlage des Primär- oder Sekundärstromes des Gleichrichtertrans.formators
folgt.. Während nun in einer bisher üblichen Spannungsschaltung die Eingangsspannung
des Steuertra.nsformatoTs ohne weiteres von der Generatorspannung abgenommen werden
konnte, ist dies bei Stromschaltung nicht zweckmäßig, das ja, wie
oben gezeigt,
der Transformatorprimärstrom und der Anodenstrom bei wechselnder Generatorspannung
ihre Phasenlage gegenüber der Generatorspannung ändern. Wenn nun die Steuerimpulse
die Phasendrehung des Anodenstromes nicht mitmachten, würde man einen beträchtlichen
Teil des zur Verfügung stehenden Steuerbereiches von vornherein verlieren; mach
den obigen Ausführungen würde der Verlust. am Steuerbereich etwa 45 elektrische
Grade betragen, so da.ß für den ausnutzbaren Teil nur noch. wenige Grade oder gar
kein Steuerbereich, mehr zur Verfügung stehen. würden.
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Bei der Anordnung nach der Erfindung wird also das Steuergerät stromabhängig
gespei&t von einerSpannung, die von einem demTransformatorstrom J12 in der Phasenlage
folgenden Strom i12 gebildet wird. Hierzu kam. der Strom i12 entweder in einen Widerstand
geschickt werden, an dem ein Spannungsabfall abgegriffen und denn Steuertransformator
als Eingangsspannung zugeführt wird, oder der transformatorisch gebildete Strom
i12 wird dem Steuertransformator unmittelbar zugeführt. In letzterem Fall muß nun,
da der Strom i12 mit der Generatorbelastung sich ändert, der Steuertransformator
eine sich. ändernde Eingangsleistung und -spannung ohne Verlagerung der Zündzeitpunkte
aufzunehmen, in der Lage sein, was siech praktisch. leicht urreichem lä,Bt.
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Die in. den Fig. 6 bis 8 dargestellten An,wenrdungsbeispiele sollen
den Gedanken der Erfindung näher erläutern. Man kann, wie in Fig. 6 dargestellt,
den Strom i12 dadurch bilden:, daß man zu den Kreisen der Komponentenströme
1, und J2 Parallelkreise für entsprechend kleinere Leistung für die Speisung
des Steuergerätes 1a aufbaut. Die beiden Komponenten il und i2 zur Bildung des Stromes
i12 «-erden dabei über zwei kleine Stromtransformatoren 5' und 6' entnommen, und
zwar il vom Strom einer kleinen Drossel 4' und i2 unmittelbar vom Generatorstrom.
Der Spartransformator 3' dient nur zur Überlagerung der beiden Komponenten il und
i2. Der Strom i12 ist dann, sowohl elektrisch, als auch in der Art der Entstehung
ein genaues Abbild des Stromes J12.
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Einfacher ist es, wie in Fig.7 gezeigt, dein Strom i12 direkt transformatorisch
von J12 abzuleiten, und zwar ist dies in vielen Fällen möglich durch einen kleinen.
Transformator 13, der in den Sternpunkt der Primärwicklung des Gleichrichtertransformators
3 eingeschaltet ist und zweckmäßig bei Drehstrom auch dreiphasig ausgedührt wird.
Diese Transformatoranordnung ist allerdings nur dann zweckmäßig, waren denn Gleichrichtertransforma@tor
außer den Stromkomponenten J1 und J2 kein anderer Strom (etwa der Strom von Kondensatoren)
zugefü rt wird, welcher letzteres den Transformatorstrom stark verzerren kann gegenüber
der Sinusform. Wenn, dies der Fall ist, kann
der Strom il, erfindungsgemäß
in einfacher Weise in der in Fig. 8 dargestellten Welse hergeleitet werden; ein
kleiner Stromtransformator 1q., der für die Eingangsleistung des Steuertransformators
bemessen ist, besitzt in jeder Phase drei Wicklungen; die beiden Primärwicklungen
15 und 16 werden von. den Stromkomponenten J1 und J., durchflossen vor ihrer Einführung
in den Gleichrichtertransformator 3, während die Sekundärwicklung 17 den Summenstrom
i12 an den, Steuertransformator abgibt. Die beiden Primärwicklungen 15 und 16 können
durch eine einzige ersetzt werden, wenn man, die Sternpunkte der Sekundärwicklungen
der beiden, Stromtransformatoren 5 und 6 auflöst, sie, gemeinsam über diese Primärwicklung
des Transformators 14 führt und hinter diesem zu einem neuen gemeinsamen Sternpunkt
vereinigt.
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Da die Primärströme J1 und. 12 erzwungen werden, und da die für die
Steuerung entnommene-Leistung und damit auch der Spannungsabfall ain der Primärseite,-
der beschriebenen, Stromtransformatoren, 5', 6' in Fig. 6 bzw. 13 in Fig. 7 bzw.
14 in Fig. 8 klein ist gegenüber der gesamten zugeführten Gleichrichterleistung,
sind Kopplungserscheinungen zwischen Anodenspannung und Steuerung in, diesen Schaltungen,
nicht zu befÜrchten. Die geschilderte Erfindung bringt den Vorteil, bei Stromschaltungen
den ganzen zur Verfügung stehenden: Steuerbereich für die Gittersteuerung ungestört
voll ausnutzen. zu können:, und den weiteren Vorteil bei den erwähnten compoundierten
Schaltungen, wo nur ein kleiner Steuerbereich zur Feinregelung erforderlich, ist,
daß dieser Steuerbereich in das günstigste Gebiet geschoben werden kann, wo die
Ausnutzung des Gefäßes bzw. des Gleichrichtertransformatons am günstigsten ist und
wo die kleinste Steuerleistung, also auch die kleinste Reglerleistung für die selbsttätige
Sehnellreglereinrichtung zur Regelung des Vormagnetisierungs.tromes. des. Steuertransformators
benötigt wird.