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Einrichtung zur schnellen Erregungsänderung von Generatoren oder anderen
elektrischen Maschinen Die schnelle Erregungsänderung von elektrischen Generatoren
oder anderen elektrischen Maschinen erfordert sehr schnelle Feldänderungen und dazu
hohe Erregerspannungen, die die im stationären Betrieb, d. h. bei normaler, etwa
gleichbleibender Generatorbelastung, erforderlichen Erregerspannungen wesentlich
übersteigen. Es sind Schaltungen bekannt, bei denen diese hohen Erregerspannungen
durch in den Erregerkreis eines Generators geschaltete Verstärkereinrichtungen,
z. B. Verstärkermaschinen oder Magnetverstärker, erzeugt werden. Die Verstärkereinrichtungen
müssen dabei erstens so ausgeführt sein, daß sie die höchst benötigte Erregerspannung
zu erzeugen vermögen, und zweitens so, daß sie den höchsten für Generatorvollast
benötigten Erregerstrom als Dauerleistung geben können. Demgemäß müssen die Verstärkereinrichtungen
im Verhältnis zur Generatorleistung baulich groß und für große Dauerleistungen bemessen
sein.
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An Hand einer bekannten, in Fig. I dargestellten Schnellerregerschaltung
sei das Vorgesagte noch näher erläutert. Die Figur zeigt die sogenannte Boosterschaltung,
bei der zur schnellen Erregungsänderung eine Verstärkermaschine I mit der Erregerwicklung
z eines Gleichstromgenerators 3 in Reihe geschaltet ist. Die Erregerwicklung für
die Verstärkermaschine I ist mit 4 bezeichnet. Der Widerstand der Erregerwicklung
z des Generators ist so bemessen, daß bei allen im Generatorbetrieb vorkommenden
Ankerspannungen im stationären Zustand etwa der richtige Erregerstrom fließt; die
Verstärkermaschine I hat lediglich die Aufgabe, die Feldänderungsspannung aufzubringen
und gegebenenfalls vielleicht noch kleine Berichtigungen des Erregerstromes zu bewirken.
Die
Erregerwicklung 2 habe beispielsweise IOO Windungen, einen Widerstand
von IO Ohm und benötige einen Dauerstrom von IO Ampere für höchste Generatorspannung.
Daraus errechnet sich eine Dauererregerspannung von IOO Volt, und die Dauerleistung
beträgt IOOO Watt. Die Zeitkonstante der Erregerwicklung 2 sei I Sekunde. Soll nun
eine Erregerfeldänderung um IOO % in o,5 Sekunden möglich sein, so muß eine Feldänderungsspannung
von 2oo Volt 0,5 Sekunden lang anliegen, um einen Spannungszeitintegralwert von
IOO Vs zu erreichen. Da der ohmsche Spannungsfall des Stromes in der Erregerwicklung
stets von der Ankerspannung des Generators aufgebracht wird, muß die Verstärkermaschine
also für eine Spannung von Zoo Volt bemessen sein. Mit dem Dauererregerstrom von
IO Ampere ergibt sich so eine Dauerleistung von 2OOO Watt für die Verstärkereinrichtung.
Durch die Erfindung soll erreicht werden, daß die Dauerleistungen von zur Schnellerregung
bei Generatoren vorgesehenen Verstärkereinrichtungen und damit diese selbst kleiner
sein können als bisher.
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Erfindungsgemäß wird eine Einrichtung zur schnellen Erregungsänderung
von Generatoren oder anderen elektrischen Maschinen geschaffen, die mindestens je
eine Haupterregerwicklung und je eine über eine Verstärkerwicklung erregte Hilfswicklung
besitzen. Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, dem Hauptwicklungskreis des
Generators Begrenzungs- oder Sperrmittel für die bei den Erregungsänderungen auftretenden
Stromstöße zuzuordnen, wobei der Dauerstrom der Verstärkereinrichtung sehr klein
oder gleich Null ist. Die größten Vorteile ergeben sich, wenn die Hauptwicklung
des Generators die bei allen Ankerspannungen im stationären Zustand erforderliche
Erregung (Grunderregung) liefert; während die Verstärkereinrichtung in Verbindung
mit Steuer- und Regelmitteln bei Bedarf im Sinne einer schnellen Erregungsänderung
zur Konstanthaltung einer Betriebsgröße des Generators über die Hilfswicklung eingreift.
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Die Fig. 2 bis 4 der Zeichnung zeigen Ausführungsbeispiele für die
Erfindung.
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Fig. 2 zeigt eine Schaltung mit einer Verstärkermaschine, Fig. 3 eine
Schaltung mit einem Magnetverstärker und Fig. 4 eine andere Schaltung mit einem
Magnetverstärker.
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In Fig. 2 ist der Generator 5 ein Gleichstromgenerator. Er ist im
Nebenschluß über die Hauptwicklung 6 erregt. Die Hilfswicklung ist mit 7, die an
sie angeschlossene Verstärkermaschine mit 8 und deren Erregerwicklung mit 9 bezeichnet.
Als Begrenzungsmittel für die bei den Erregungsänderungen auftretenden Stromstöße
im Erregerkreis der Hauptwicklung 6 ist ein ohmscher Widerstand IO vorgesehen.
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Zur Erläuterung des Fortschritts, der durch die Erfindung. erzielt
wird und darin besteht, daß die Verstärkermaschine für eine kleinere Dauerleistung
bemessen werden kann, sei auf das vorbeschriebene Bemessungsbeispiel zu Fig. I Bezug
genommen. Es sei der gleiche Generator wie in Fig. I angenommen und daß die Hauptwicklung
6 dieselbe Bemessung wie die Erregerwicklung 2 (Fig. I) habe, also IOO Windungen
und IO Ohm. Der Widerstand IO habe ebenfalls IO Ohm, so daß der Gesamtwiderstand
des Hauptkreises nun 2o Ohm beträgt. Die Gesamterreger-- Leistung im Erregerkreis
der Hauptwicklung errechnet sich somit zu 2ooo Watt. Trotz des Einschaltens des
Widerstandes IO möge der Haupterregerkreis so abgestimmt sein, daß die Generatorankerspannung
jederzeit die für den stationären Betrieb benötigte Erregung erzeugt. Die Hilfswicklung
7 habe ebenfalls IOO Windungen, aber beispielsweise nur halben Querschnitt, so daß
ihr Widerstand ebenfalls 2o Ohm beträgt. Die Zeitkonstanten von Haupt- und Hilfserregerkreis
betragen jetzt beide 0,5 Sekunden. Sie addieren sich und ergeben die Zeitkonstante
des gesamten Generatorerregerfeldes von I Sekunde. Zur Erzielung einer Feldänderung
um IOO % in 0,5 Sekunden muß ebenfalls wieder eine Feldänderungsspannung von 2oo
Volt vorhanden sein. Diese Spannung entsteht, wenn sie in der Hilfswicklung 7 erzeugt
wird, ebenfalls als Gegenspannung in der Hauptwicklung und erzeugt dort einen Strom
von 2oo Volt: 2o Ohm = IO Ampere. Diesem Strom muß jedoch in der Hilfswicklung ein
Strom von IO Ampere entgegenwirken, wozu die Verstärkermaschine noch eine Spannung
von IO Ampere x 2o Ohm = Zoo Volt zusätzlich zu der genannten Feldänderungsspannung
von 2oo Volt aufbringen muß. Die Verstärkermaschine ist also für 400 Volt auszulegen.
Ihr Dauerstrom könnte an sich Null sein; man wird jedoch praktischerweise im stationären
Betrieb zur Berichtigung von Abweichungen der Erregung einen gewissen Erregungsteil
durch die Hilfswicklung aufbringen, beispielsweise einen Strom, der IO % vom Strom
in der Hauptwicklung beträgt. Die sich in einem solchen Fall errechnende Dauerleistung
der Verstärkermaschine würde jetzt 400 Volt x IO Ampere x IO% = 400 Watt betragen.
Dies bedeutet aber gegenüber der bekannten Einrichtung nach Fig. I, bei der eine
Verstärkermaschine von 2ooo Watt erforderlich war, eine Ersparnis von 8o %.
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Es kann vorteilhaft sein, den vor die Hauptwicklung 6 (Fig. 2) geschalteten
Widerstand IO noch größer zu machen; es kann dann lediglich auf Kosten der aus dem
Generator 5 entnommenen Dauererregerleistung und des Platz- und Kupferbedarfs der
Hilfswicklung 7 die Dauerleistung der Verstärkermaschine B noch weiter herabgesetzt
werden.
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Der durch die Erfindung erreichte Fortschritt tritt vor allem noch
zutage bei der Verwendung von Magnetverstärkern, die im allgemeinen mit nicht steuer-
oder sperrbaren Gleichrichtern, insbesondere mit Trockengleichrichtern arbeiten.
Wäre in den vorbeschriebenen Beispielen nach Fig. i an Stelle einer Verstärkermaschine
eine Magnetverstärkeranordnung verwendet, so müßte diese für eine noch weit größere
Dauerleistung als 2ooo Watt bemessen sein; denn um den Generator 2 (Fig. i) in zwei
verschiedenen Feldrichtungen zu erregen, wie dies in Fällen eines schnellen Erregungsänderungsbedarfs
erforderlich ist, müßten für jede Richtung je eine Magnetverstärkeranordnung von
2ooo Watt Dauerleistung vorhanden sein. Bei einer derartigen Magnetverstärkeranordnung,
die auch
als Nullstromverstärker bezeichnet wird, würden jedoch
auch 4000 Watt Dauererregerleistung noch nicht genug sein, da - unter anderem zur
Verhinderung von Kurzschlüssen zwischen den beiden Magnetverstärkern - leistungsverzehrende
Widerstände vorgesehen sein müßten. Der durch die Erfindung erreichte wirtschaftliche
Vorteil ist daher beachtlich.
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In Fig. 3 ist eine Einrichtung nach der Erfindung mit einer Magnetverstärkeranordnung
dargestellt. Der Generator 1i ist der Steuerdynamo eines nicht näher dargestellten
Leonardsatzes, der z. B. eine Umkehrwalzenstraße antreiben möge. Die Haupterregerwicklung
12 ist eine Nebenschlußwicklung und liegt mit dem Widerstand 13 in Reihe. Sie wird
so erregt, daß bei durchschnittlicher Wicklungstemperatur und Belastung der Erregungsbedarf
bei allen Ankerbetriebsspannungen in beiden Drehrichtungen des nicht mit dargestellten
Antriebsmotors gedeckt wird. Die schnellen Erregungsänderungen bis zu einer bestimmten
Erregerspannung und die Festhaltung bestimmter Erregungswerte, sofern sie betriebsmäßig
beim Antrieb der Walzenstraße gewünscht sind, werden durch die Magnetverstärkeranordnung
1q., die aus den beiden Magnetverstärkern I5 und I6 besteht, unabhängig von Belastungsstößen
und Temperaturschwankungen bewirkt. Die beiden Magnetverstärker I5 und I6 wirken
in entgegengesetztem Sinne über die Hilfswicklungen I7 bzw. I8 auf die Erregung
des Generators II ein und sind für Dauerbetriebsströme von beispielsweise IO% des
Gesamterregerstrombedarfs bemessen. Spannungsmäßig müssen die Magnetverstärker jedoch
Stöße bis zum Mehrfachen der Dauerspannung abgeben können und entsprechend bemessen
sein. Mit I9 ist der Steuerhebel für die Antriebssteuerung der nicht mit dargestellten
Umkehrwalzenstraße bezeichnet, mit dem der Gleichstromwiderstand der Magnetisierungskreise
und damit die Vormagnetisierung der Magnetverstärker I5 und I6 veränderbar ist.
Die Schaltung der Magnetverstärker wirkt so, daß in der einen Endlage des Steuerhebels
I9 jeweils höchste Miterregung und in der anderen Endlage höchste Gegenerregung
eintritt. Zweckmäßig wird zur Erreichung einer günstigen Wirkungsweise des gesamten
Umkehrantriebes die Magnetverstärkeranordnung drehzahlabhängig über eine Regeleinrichtung
beeinflußt oder auch in Abhängigkeit von einer Rückführungsgröße der Regeleinrichtung,
beispielsweise dem Differentialquotienten der Regelgröße, zusätzlich gesteuert.
Auch Begrenzungsmittel z. B. für Ströme und Leistungen können vorgesehen sein. Bei
der Darstellung in Fig. 3 ist jedoch der besseren Übersicht halber hiervon Abstand
genommen.
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Die in Fig. 4 dargestellte Einrichtung arbeitet ebenfalls mit einem
Magnetverstärker; der Generator 2I ist jedoch ein Wechselstromgenerator, der über
eine Gleichrichteranordnung 22, den Widerstand 23 und die Haupterregerwicklung 24
und über den Transformator 25 in Abhängigkeit von der Generatorbelastung so erregt
ist, daß für alle in Frage kommenden Belastungsfälle zwischen Leerlauf und Vollast
und bei voreilendem und nacheilendem Leistungsfaktor der zur Abgabe der Nennspannung
erforderliche Erregerstrom bis auf geringe Ungenauigkeiten aufgebracht wird. Der
Generator wird sich also im stationären Betrieb auf eine Spannung in der Nähe des
Nennwertes einstellen. Die genaue Einregelung der Spannung auf den Nennwert wird
über die Hilfserregerwicklung 26 und die Gleichrichteranordnung 27 mittels des Magnetverstärkers
28 und der Regeleinrichtung 29 bewirkt. Die Erregung mittels der Haupterregerwicklung
24 wird vorteilhaft so eingestellt, daß sie auf eine etwas zu hohe Generatorspannung
erregt, so daß der Magnetverstärker über die Hilfswicklung 26 immer nur herrunterregeln
muß, also die Erregung schwächt. Dadurch wird ein doppelter Magnetverstärker in
Nullstromschaltung überflüssig, und nur eine Hilfserregerwicklung und ein Magnetverstärker
werden benötigt.
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Als Regeleinrichtung 29 wird zweckmäßig ein an sich bekannter Magnetregler
verwendet, bei dem der Fluß einer von der Generatorspannung erregten Magnetspule
im Vergleich mit dem Fluß eines Permanentmagneten steht und so einen Steuerwert
für die Regelung erzeugt. Es kann aber auch jede andere, denselben Zweck erreichende
Regeleinrichtung vorgesehen sein. Die Wechselstromleistung zur Speisung des Magnetverstärkers
28 kann dem Drehstromgenerator 2I selbst oder einer besonderen Wechselstromerregermaschine
entnommen sein. Es ist vorteilhaft, letztere zur Verkleinerung der Regelungszeitkonstante
und des Materialaufwandes des Magnetverstärkers für höhere Frequenzen als die übliche
Netzfrequenz von 5o bis 6o Hz auszuführen, insbesondere für Mittelfrequenzen bis
etwa 2OOO Hz.
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Die in Fig.4 dargestellte Einrichtung eignet sich besonders gut in
solchen Fällen zur schnellen Erregungsänderung, in denen der Bedarf hierzu durch
einen Lastvorzeichenwechsel gegeben ist, z. B. beim plötzlichen Abwurf von induktiven
Lasten am Ende langer Hochspannungsfernleitungen, die an dem Generator angeschlossen
sind. In einem solchen Falle ist durch die Einrichtung nach der Erfindung nicht
nur die Möglichkeit gegeben, die Erregerspannung der Hauptwicklung 24 sofort stark
herabzusetzen, sondern auch fast augenblicklich eine Stoßerregung mittels der Hilfswicklung
26 auszuüben. Es ist dabei nur eine Frage der Bemessung der Spannung des Magnetverstärkers
28, wie schnell das Generatorerregerfeld verkleinert werden, kann.
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Die Einrichtung nach der Erfindung ist nicht auf die in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Der Grundgedanke der Erfindung, nämlich
die Aufteilung der Erregung auf verschiedene Wicklungen in Verbindung mit einer
Verstärkeranordnung in der Hilfswicklung und einem Begrenzungs- oder Sperrmittel
in der Hauptwicklung, kann auch in anders ausgeführten Erregerschaltungen angewendet
werden. Als Begrenzungs- oder Sperrmittel können an Stelle von ohmschen Widerständen
auch Blind- oder Scheinwiderstände oder auch Ventile vorgesehen sein. Beispielsweise
ist es vorteilhaft, als Begrenzungs- oder Sperrmittel im Haupterregerkreis die Parallelschaltung
von ohmschen (Rv) und induktiven Widerständen (Lv) zu verwenden. Im stationären
Betrieb ist dann der ohmsche Widerstand praktisch kurzgeschlossen, so daß keine
zusätzlichen Verluste
im Begrenzungsmittel entstehen. Es kann daher
der Ohmwert von Rn auf das Mehrfache des Ohmwertes der Hauptwicklung erhöht werden.
Die Induktivität Ln der parallel geschalteten Drosselspule wird zweckmäßig so groß
bemessen, daß Lv: Rv gleich oder größer ist als die Zeitkonstante der Hilfswicklung
samt vorgeschalteten Verstärkern und Reglern.
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Die Hauptwicklung kann in an. sich beliebiger Weise in Abhängigkeit
vom Generatorstrom oder von der Generatorspannung gespeist werden, beispielsweise
auch über eine Erregermaschine, vorzugsweise über eine Mittelfrequenzerregermaschine,
deren Strom durch Trockengleichrichter gleichgerichtet und deren Feld durch einen
weiteren Magnetverstärker geregelt wird. Zur Einsparung von Schleifringen und Zuführungen
zu den Erregerwicklungen können diese einpolig untereinander verbunden sein.