.Anordnung zur Erzeugung einer konstanten Spannung bei veränderlicher
Drehzahl des Generators In der Elektrotechnik wird vielfach eine konstante Spannung
(vornehmlich eine Gleichspannung) benötigt, zu deren Erzeugung jedoch nur eine Maschine
zur Verfügung steht, deren Drehzahl in weiten Grenzen schwankt. Man kann sich in
solchen Fällen dadurch helfen, daß man die Spannung durch einen auf die Erregung
des Generators einwirkenden Regler konstant hält. An diesen Regler werden aber sehr
große Anforderungen gestellt, so daß entweder seine Leistungsgrenze überschritten
wird oder der Regler unwirtschaftlich groß ausfällt. Außerdem leidet die Regelgenauigkeit.
Erwünscht ist in solchen Fällen eine Anordnung, die schon von sich aus auf Grund
ihrer Wirkungsweise die Spannung auf einem ganz oder nahezu gleichbleibenden Wert
hält, so daß ein gegebenenfalls noch erforderlicher Regler nur noch Feinheiten auszuregeln
hat. Diese Bedingung wird durch die Anordnung der Erfindung, die sich ebenfalls
auf die Erzeugung einer konstanten Spannung bei veränderlicher Drehzahl des Generators
bezieht, erfüllt. Erfindungsgemäß dient als Generator eine mindestens annähernd
konstant erregte Synchronmaschine, die infolge kleinen Luftspaltes und großen Strombelages
ein kleines Kurzschlußverhältnis aufweist. Ferner ist der Strom dieser Synchronmaschine
einem aus Drosselspule und Kondensator bestehenden Konstantstromkreis auf der Stromseite
zugeführt, dessen Spannungsseite die konstante Spannung entnommen wird.. Arrangement for generating a constant voltage when the voltage changes
Speed of the generator In electrical engineering, a constant voltage is often used
(primarily a DC voltage) is required, but only one machine is required to generate it
is available, the speed of which fluctuates within wide limits. You can log into
Such cases help by putting the tension through one on the excitement
of the generator acting regulator keeps constant. But this controller will be very
Great demands are made, so that either its performance limit is exceeded
or the controller is uneconomically large. In addition, the control accuracy suffers.
In such cases, it is desirable to have an arrangement that is inherently based
their mode of action the voltage at a completely or almost constant value
holds, so that a controller that may still be required can only regulate subtleties
Has. This condition is made possible by the arrangement of the invention as well
on the generation of a constant voltage with a variable speed of the generator
relates, fulfilled. According to the invention, an at least approximately one serves as a generator
Constantly excited synchronous machine, which as a result of the small air gap and large current load
has a small short circuit ratio. Furthermore, the current is this synchronous machine
a constant current circuit consisting of a choke coil and capacitor on the current side
supplied, the voltage side of which the constant voltage is taken.
Fig. z der Zeichnung zeigt das Prinzipschaltbild der neuen Anordnung.
z ist der mit veränderlicher Drehzahl angetriebene Synchrongenerator. Bei kleinem
Luftspalt und großem Strombelag, d. h. bei kleinem Kurzschlußverhältnis entspricht
der Ständerstrom Ja
auch bei veränderlicher Spannung bzw. bei veränderlicher
Drehzahl weitgehend dem Läuferstrom J3. Sofern der äußere Scheinwiderstand des an
die Ständerwicklung des Synchrongenerators angeschlossenen Verbrauchers klein ist
gegenüber der Größe X1 (Eigenblindwiderstand der Ständerwicklung), was bei einem
kleinen Kurzschlußverhältnis zutrifft, so gilt die Beziehung
Darin bedeutet XA den Hauptfeldblindwiderstand des Synchrongenerators, während J3
seinen Erregerstrom darstellt. Der Ständerstrom ist also unabhängig von der Spannung
und der Drehzahl nur durch den Läuferstrom bestimmt. Man kann also eine derartig
bemessene Synchronmaschine als Konstantstromquelle bei veränderlicher Frequenz verwenden.
Der Ständerstrom wird nun einem Konstantstromkreis bekannter Art zugeleitet, der
aus der Drosselspule 2, dem Kondensator 3 und dem Umspanner 4 besteht. Die Erstwicklung
des Umspanners 4 wird unmittelbar vom Strom 1Z durchflossen. Die Zweitwicklung besitzt
einen Sternpunkt in der Mitte, und die auf diese Weise entstehenden beiden Hälften
werden einerseits vom Drosselstrom, andererseits vom Kondensatorstrom durchflossen.
Beide liegen parallel am Netz 5, von dem die Verbraucher 6 gespeist werden. Wird
den Verbrauchern Wirklast zugeführt, so läßt sich nachweisen, daß die den Verbrauchern
zugeführte Spannung U, nur von dem Strom J2 in der Ständerwicklung des Synchrongenerators
bzw. wie oben angegeben von dem Erregerstrom J3 des Synchrongenerators abhängig
ist, dagegen von der Frequenz bzw. der Drehzahl des Generators i ganz oder nahezu
unbeeinflußt bleibt. Ebenso ist diese Spannung weitgehend von der Größe des den
Verbrauchern zugeführten Wirkstromes unabhängig. Zunächst läßt sich zeigen, daß
sich ein Bestwert für die Leistung am Kondensator und 'damit auch an der Drosselspule
ergibt, wenn an dem Kondensator bzw. an der Drosselspule bei der Resonanzfrequenz
f, die gleiche Blindleistung auftritt, die bei der Nennleistung der Anordnung dem
Schwingungskreis als Wirkleistung zugeführt bzw. entnommen wird. Die neue Anordnung
benötigt danach bezogen auf die Resonanzfrequenz das Doppelte der übertragenen Wirkleistung
an Blindleistung, die je zur Hälfte auf Drosselspule und Kondensator entfällt. Unter
Berücksichtigung einer derartigen Bemessung des Schwingungskreises kann man nunmehr
für die Änderung der Verbraucherspannung in Abhängigkeit von der Änderung der Frequenz
und der Änderung der Belastung die Beziehung ableiten:
In dieser Gleichung bedeuten Ulo die den Verbrauchern zugeführte Spannung bei einer
Bezugsfrequenz fo,
das Verhältnis der jeweils vorhandenen Frequenz zu dieser Bezugsfrequenz und a einen
Belastungsfaktor (a = =bei Nennlast).Fig. Z of the drawing shows the basic circuit diagram of the new arrangement. z is the variable speed driven synchronous generator. With a small air gap and a large current load, ie with a small short-circuit ratio, the stator current Yes largely corresponds to the rotor current J3, even with a variable voltage or variable speed. If the external impedance of the consumer connected to the stator winding of the synchronous generator is small compared to the value X1 (self-reactive resistance of the stator winding), which applies to a small short-circuit ratio, the relationship applies Here, XA means the main field reactance of the synchronous generator, while J3 represents its excitation current. The stator current is therefore only determined by the rotor current, regardless of the voltage and the speed. A synchronous machine of such dimensions can therefore be used as a constant current source with a variable frequency. The stator current is now fed to a constant current circuit of a known type, which consists of the choke coil 2, the capacitor 3 and the transformer 4. The first winding of the transformer 4 is immediately traversed by the current 1Z. The second winding has a star point in the middle, and the two halves created in this way are traversed by the inductor current on the one hand and the capacitor current on the other. Both are in parallel on the network 5, from which the consumers 6 are fed. If the consumers are supplied with real load, it can be demonstrated that the voltage U supplied to the consumers depends only on the current J2 in the stator winding of the synchronous generator or, as stated above, on the excitation current J3 of the synchronous generator, but on the frequency or the The speed of the generator i remains completely or almost unaffected. This voltage is also largely independent of the size of the active current supplied to the loads. First of all, it can be shown that the best value for the power on the capacitor and thus also on the choke coil results when the same reactive power occurs on the capacitor or on the choke coil at the resonance frequency f that the resonant circuit at the nominal power of the arrangement is supplied or withdrawn as active power. In relation to the resonance frequency, the new arrangement then requires twice the transferred active power of reactive power, half of which is accounted for by the choke coil and half of the capacitor. Taking into account such a dimensioning of the oscillation circuit, one can now derive the relationship for the change in the consumer voltage as a function of the change in frequency and the change in load: In this equation, Ulo is the voltage supplied to the loads at a reference frequency fo, the ratio of the respective existing frequency to this reference frequency and a a load factor (a = = at nominal load).
In Auswertung der obigen Gleichung ist in Fig. 2 das Verhältnis der
Spannung
über dem Frequenzverhältnis zwischen ?i = 1,5 und @ = o,67 dargestellt. Für a =
i (Nennlast) bleibt dieses Verhältnis der Spannung völlig konstant, für a = o (Leerlauf)
erreicht sie bis zu 8 °/o höhere Werte, für a = o,5 (Halblast) bis zu 6 °/o. Bei
Überlast (a größer als i) sinkt die Spannung nach beiden Seiten vom Sollwert der
Frequenz ab. Es ist immerhin beachtlich, daß die Spannungsabweichung z. B. zwischen
Leerlauf und Vollast nur :L 4 °/o bei gleichzeitiger Drehzahländerung im Verhältnis
i : 2,25 beträgt. Insbesondere wenn die Anordnung vorwiegend im Vollastbereich arbeitet,
tritt die Spannungsabweichung trotz großer Änderungen der Drehzahl kaum in Erscheinung.
Die etwa noch auszuregelnden Spannungsunterschiede bereiten bei dem vom Regler nur
noch zu bewältigenden kleinen Regelbereich keine Schwierigkeiten mehr.Evaluating the above equation, FIG. 2 shows the ratio of the voltage plotted against the frequency ratio between? i = 1.5 and @ = o.67. For a = i (nominal load) this ratio of the voltage remains completely constant, for a = o (idle) it reaches values up to 8% higher, for a = 0.5 (half load) up to 6%. In the event of an overload (a greater than i), the voltage drops on both sides of the frequency setpoint. It is nevertheless noteworthy that the voltage deviation z. B. between idling and full load only: L 4 ° / o with a simultaneous speed change in the ratio i: 2.25. In particular, if the arrangement works predominantly in the full load range, the voltage deviation hardly appears despite large changes in the speed. The voltage differences that need to be regulated no longer cause any difficulties in the small control range that the controller can only handle.
Aus der obigen Gleichung und aus der Fig. 2 ergibt sich, daß bei der
Nennlast (a = i) die an den Verbrauchern auftretende Spannung U1 völlig unabhängig
von der Frequenz ist, solange voraussetzungsgemäß der Strom 1Z konstant bleibt.
Man kann die dabei vorhandene Leistung in Anlehnung an eine ähnliche Erscheinung
an langen Wechselstromfernleitungen als natürliche Leistung der Anordnung bezeichnen.
Tatsächlich ergibt sich auch für den Belastungswiderstand des Verbrauchers bei Vollast
Rln eine ähnliche Beziehung wie für den Wellenwiderstand der Leitung. Es ergibt
sich
, wenn L und C die Induktivität der Drosselspule und die Kapazität des Kondensators
bedeuten, d. h. also, der Belastungswiderstand, bei dem die Spannung völlig unabhängig
von der Frequenz wird, ist gleich dem halben Wert des Wellenwiderstandes des Schwingungskreises.From the above equation and from FIG. 2 it follows that at the nominal load (a = i) the voltage U1 occurring at the consumers is completely independent of the frequency as long as the current 1Z remains constant as required. The power available here can be described as the natural power of the arrangement based on a similar phenomenon on long AC power lines. In fact, there is also a similar relationship for the load resistance of the consumer at full load Rln as for the wave resistance of the line. It surrenders , if L and C mean the inductance of the choke coil and the capacitance of the capacitor, that is, the load resistance at which the voltage is completely independent of the frequency, is equal to half the value of the wave resistance of the oscillating circuit.
Die neue Anordnung eignet sich insbesondere als Stromquelle für konstante
Spannung für Sondergeräte, wie sie in der Kriegstechnik vorkommen, bei denen eine
Anzahl Elektronenröhren (Verstärkerröhren) mit gleichbleibendem Heizstrom und Anodenspannung
betrieben werden sollen, wo aber nur ein in der Drehzahl stark veränderlicher Generator
zur Verfügung steht. Es ergibt sich dabei der Vorteil, daß die neue Anordnung mit
normalen Maschinen und Bauteilen arbeitet.The new arrangement is particularly suitable as a power source for constant
Voltage for special devices, as they occur in war technology, where one
Number of electron tubes (amplifier tubes) with constant heating current and anode voltage
are to be operated, but where only a generator with a strongly variable speed
is available. There is the advantage that the new arrangement with
normal machines and components works.
Fig. 3 der Zeichnung zeigt zunächst die Schaltung, wenn man mit der
neuen Anordnung eine konstante Gleichspannung etwa als Anodenspannung für Elektronenröhren
erzeugen will. Die dreiphasige Ständerwicklung des Generators i besitzt einen Sternpunkt
in der Mitte der Wicklung, und an die Wicklungsenden sind die Drosselspulen 2 und
die Kondensatoren 3 in der dargestellten Weise angeschlossen. Auf der rechten Seite
sind die einzelnen Phasen des Schwingungskreises an eine dreiphasige Grätzschaltung
von Gleichrichtern 7 (insbesondere Trockengleichrichter), angeschlossen, und an
den beiden Sternpunkten dieser Grätzschaltung wird dann die Gleichspannung U" entnommen.
Zur Glättung dieser Gleichspannung ist
noch die Drosselspule 8 eingeschaltet.
Durch einen Regler, der von der Gleichspannung L', betätigt wird und auf den Erregerstrom
des Generators i einwirkt, können die kleinen Abweichungen der Spannungen vom Sollwert
leicht ausgeregelt werden. Der Umspanner 4 der Fig. i kann hier entbehrt werden,
weil seine Aufgabe von der Ständerwicklung des Generators i mit übernommen wird.
Da die genaue Einhaltung der Spannung bei diesen Anlagen vorwiegend mit Rücksicht
auf die Heizspannung der Röhren gefordert wird, kann man den vom Generator gelieferten
konstanten Strom auch unmittelbar zur Wechselstromheizung der Röhren verwenden.
Der Schwingungskreis wird dann nur noch zur Gewinnung der Anodenspannung benötigt
und erhält sehr kleine Abmessungen, weil die Anodenleistung gegenüber der Heizleistung
klein ist. Auch haben Schwankungen der Anodenspannung nicht die nachteilige Wirkung
wie bei der Heizspannung. Fig.4 zeigt eine solche Anordnung. Der Generatorstrom,j2
speist unmittelbar die Heizumspanner 9 und io der Elektronenröhren ii und 12, deren
Anodenspannung über den Schwingungskreis 2, 3, 4, die Gleichrichter 7 und die Drosselspule
8 geliefert wird. 13 und 14 stellen die äußeren Nutzwiderstände im Anodenkreis der
Röhren dar. Im Gegensatz zur Fig. 3 ist die Schaltung des Schwingungskreises 2 bis
3 und der Gleichrichter 7 nur einphasig dargestellt; sie entspricht jedoch dieser
Fig.3.Fig. 3 of the drawing shows the circuit when you start with the
new arrangement a constant DC voltage as anode voltage for electron tubes
wants to generate. The three-phase stator winding of the generator i has a star point
in the middle of the winding, and at the winding ends are the choke coils 2 and
the capacitors 3 connected in the manner shown. On the right side
are the individual phases of the oscillation circuit to a three-phase Graetz circuit
of rectifiers 7 (in particular dry rectifiers), connected, and to
The DC voltage U "is then taken from the two star points of this Graetz circuit.
To smooth this DC voltage is
the choke coil 8 is still switched on.
By a regulator, which is operated by the direct voltage L 'and on the excitation current
of the generator i acts, the small deviations of the voltages from the nominal value
can be easily adjusted. The Umspanner 4 of Fig. I can be dispensed with here,
because its task is taken over by the stator winding of the generator i.
Since the exact maintenance of the voltage in these systems is mainly done with consideration
on the heating voltage of the tubes is required, one can use the one supplied by the generator
Also use constant current directly for AC heating of the tubes.
The oscillating circuit is then only required to generate the anode voltage
and gets very small dimensions, because the anode power compared to the heating power
is small. Fluctuations in the anode voltage also do not have the disadvantageous effect
as with the heating voltage. 4 shows such an arrangement. The generator current, j2
directly feeds the Heizumspanner 9 and io of the electron tubes ii and 12, their
Anode voltage across the oscillating circuit 2, 3, 4, the rectifier 7 and the choke coil
8 is delivered. 13 and 14 represent the external useful resistances in the anode circuit of the
Tubes. In contrast to FIG. 3, the circuit of the oscillating circuit is 2 to
3 and the rectifier 7 shown only in single phase; however, it corresponds to this
Fig. 3.
Für den für die Erfindung benötigten Synchrongenerator kann man vorteilhaft
eine normale Asynchronmaschine verwenden, deren mehrphasige Schleifringwicklung
nach einer der bekannten Schaltungen mit Gleichstrom erregt wird. Die Asynchronmaschine
eignet sich für den vorliegenden Zweck deshalb besonders gut, weil sie das geforderte
kleine Kurzschlußverhältnis wegen ihres kleinen Luftspaltes von Hause aus aufweist.The synchronous generator required for the invention can be advantageous
Use a normal asynchronous machine with its multi-phase slip ring winding
is excited by one of the known circuits with direct current. The asynchronous machine
is particularly suitable for the present purpose because it is what it is required to do
has a small short-circuit ratio due to its small air gap.