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Anordnung zur Regelung der Erregung von Synchronmaschinen in Abhängigkeit
von ihrer Drehzahl Für die Erregung von Synchronmaschinen kann man den Erregerstrom
in Stromüberlagerung aus zwei Anteilen aufbauen, von denen der eine dem Strom der
Synchronmaschine, der andere deren Spannung verhältnisgleich ist. Zu diesem Zweck
wird. ein Erregerumspanner einerseits strom-, andererseits spannungsabhängig gespeist,
und dieser Umspanner speist dann über Gleichrichter die Erregerwicklung der Synchronmaschine.
Es besteht mitunter der Wunsch, bei derartigen Anlageh den Erregerstrom selbsttätig
bei abnehmender Drehzahl zunehmen, und bei steigender Drehzahl abnehmen zu lassen.
Mitunter ist es sogar erwünscht, daß der Erregerstrom bei einer gewissen Drehzahl
ganz verschwindet; z. B. soll sich ein Wasserkraftgenerator bei einer Entlastung
und einer dadurch herbeigeführten Überdrehzahl von einer bestimmten Größe dieser
Drehzahl ab entregen, damit er bei weiterer Drehzahlsteigerung nicht durch Überspannungen
gefährdet wird.
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Die Erfindung, betrifft eine Schaltung an derartigen, Synchronmaschinen,
mittels der die Steuerung der Erregung in Abhängigkeit von der Drehzahl der Maschine
vollständig selbsttätig und mit einfachen Mitteln herbeigeführt werden kann. Erfindungsgemäß
ist an den Erregerumspanner in Parallelschaltung ein Reihenresonanzkreis mit einer
Indüktivität und einer Kapazität angeschlossen, der innerhalb des Änderungsbereiches
der Drehzahl einen veränderlichen kapazitiven Widerstandswert aufweist.
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Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Ausführungsbeispiele der
Zeichnung näher erläutert.
In Fig. i stellt i einen Synchrongenerator
dar, dessen Erregerwicklung über Schleifringe von der mehrphasigen Gleichrichterschaltung2
erregt wird. Zu diesem Zweck ist ein dreiphasiger Erregerumspanner 3 vorgesehen.
Die Erstwicklung dieses Umspanners besitzt je Phase eine Mittenanzapfung, die an
die Netzspannung der Maschine i angeschlossen ist. An die Enden der Phasen sind
einerseits die Drosselspule 4, andererseits der KondensatOr 5 angeschlossen, die
bei einer bestimmten Frequenz, z. B. bei Netzfrequenz fo, in Resonanz sind. Es ergibt
sich so die bekannte Konstantstromschaltung, bei der der Strom der Drosselspule
4 bei der Frequenz fo gleich dem Strom des Kondensators 5 ist, wobei beide Ströme
an der Erstwicklung des Umspanners 3 im wesentlichen in gleichem Sinn fließen, während
dem Netz die geometrische Summe (nahezu die algebraische Differenz) der beiden Ströme
entnommen wird. In der Zweitwicklung des Umspanners 3 fließt dagegen die geometrische
Differenz (nahezu algebraische Summe) von Drossel- und Kondensatorstrom und wird
dem Gleichrichter 2 für die Speisung der Erregerwicklung der Syneh ronmaschine zugeführt.
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An die Zweitwicklung (oder auch an die Erstwicklung) des Erregerumspanners
ist nun erfindungsgemäß die Reihenschaltung einer Drosselspule 6 und einer Kapazität
7 angeschlossen, die derart bemessen sind, daß diese Reihenschaltung innerhalb des
Änderungsbereiches der Drehzahl der Maschine i bzw. ihrer Frequenz einen kapazitiven
Widerstand darstellt, wobei dieser kapazitive Blindwiderstand beim Abweichen von
der Resonanzfrequenz nach unten stark zunimmt. Die stromabhängige Erregung der Maschine
i kommt dadurch zustande, daß ein Teil der Zweitwicklung des Erregerumspanners 3
in den Ständerstromkreis der Maschine i eingeschaltet ist. Die Konstantstromschaltung
mittels der Drosselspule 4 und des Kondensators 5 bewirkt dabei, daß der spannungsabhängige,
von der Konstantstromschaltung gelieferte Erregeranteil und der stromabhängige Erregeranteil
sich an der Erregerwicklung ohne gegenseitige Störung ausbilden können.
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Bezeichnet man mit XD und XC den Blindwiderstand der Drosselspule
4 und des Kondensators 5, mit X" und X, den Blindwiderstand der Drosselspule
6 und des Kondensators 7, ferner mit JD und JC die den Scheinwiderständen 4 und
5 zugeordneten Ströme sowie mit TB den der Zweitwicklung des Umspanners- 3 überlagerten
Ständerstrom der Maschine i und bezieht man alle Widerstände im Erregerkreis auf
die Windungszahl w1 (= der halben Windungszahl der Erstwicklung des Umspanners 3),
so erhält man für den der Erregerwicklung der Maschine i zugeführten Erregerstrom
die Beziehung
Auf Grund' dieser Gleichung ergibt sich das Diagramm der Fig. 2 der Zeichnung, das
die Abhängigkeit des Erregerstromes von dem Verhältnis 17= f/fo dargestellt. fo
ist dabei die Bezugsfrequenz, z. B. 5o Hz, während f die der jeweiligen Drehzahl
der Synchronmaschine in dem in Betracht kommenden Änderungsbereich entsprechende
Frequenz darstellt. Indem Diagramm ist angenommen, daß dieses Verhältnis sich zwischen
o,8 und 1,2 ändern kann, wobei beim höchsten Wert des Verhältnisses, also -bei der
höchsten in Betracht kommenden Drehzahl der Synchronmaschine, der Reihenresonanzkreis
6 und 7 gerade im Begriff ist, von einem kapazitiven in einen induktiven Widerstand
überzugehen. Aus dem Diagramm erkennt man die Zunahme des Erregerstromes JR mit
abnehmender Frequenz und die Abnahme dieses Stromes mit zunehmender Frequenz, wobei
der Erregerstrom bei der i,2fachen Nennfrequenz zu Null wird, da hier der Reihenresonanzkreis
6 und 7 infolge Eintretens des Resonanzfalles die Zweitwicklung des Umspanners 3
kurzschließt, so daß 'sich der Generator i entregt.
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In Fig. 3 ist der Erfindungsgedanke auf einen sogenannten Wellengenerator
angewendet, bei dem mit der Hauptsynchronmaschine 8 eine Hilfssynchronmaschine i
gekuppelt ist, die ausschließlich oder vorwiegend für die Erregung der Hauptmaschine
8 dient. Derartige Wellengeneratoren werden insbesondere bei Wasserkraftgeneratoren
verwendet, namentlich, wenn es sich um einen von einer Kaplanturbine angetriebenen.,
langsam laufenden Maschinensatz handelt, da hier die unmittelbare Kupplung einer
Gleichstromerregermaschine mit der Hauptmaschine zu konstruktiven Schwierigkeiten
führt. Der Wellengenerator i wird nun von seiner Ständerspannung wieder mit Hilfe
des Umspanners 3 strom- und spannungsabhängig erregt, wobei der spannungsabhängige
Erregeranteil dadurch zustande kommt, daß die Ständerspannung der Maschine i über
die Drosselspule 9 die Erstwicklung des Umspanners 3 speist. Die voneinander unabhängige
Überlagerung der strom-und der spannungsabhängigen Erregeranteile kommt dabei durch
die Vorschaltung der Drosselspule 9 zustande, die den Strom in der Erstwicklung
des Umspanners 3 vorschreibt. Der Kondensator io dient zur Einleitung der Selbsterregung
am Wellengenerator. Der Wellengenerator speist einen Erregerumformer, bestehend
aus einem Asynchronmotor i i, einer Gleichstrommaschine 12, die den Erregerstrom
für den Hauptgenerator 8 liefert, sowie aus einer Gleichstrom-Hilfsernegermaschine13
für die Erregung der Maschine i2. In den. Erregerstromkreis der Maschine 12 ist
ein von der Spannung des Wellengenerators gesteuerter Regler 14 eingeschaltet. An
die Zweitwicklung des Erregerumspanners 3 ist nun wieder der Reihenresonanzkreis
6 und 7 angeschlossen.
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Bei entsprechender Abstimmung der Scheinwiderstände 9 und io bzw.
6 und, 7 erregt sich. der Wellengenerator z. B. bei 400/0 einer Nenndrehzahl selbst
und liefert eine Spannung, bei der der Erregerumformer 11, 12 und 13 anläuft und
auf die Betriebsdrehzahl kommt, so daß auch der Hauptgenerator
voll
erregt werden kann. Steigert nun der Hauptgenerator 8 infolge Lastabwurf seine Drehzahl
in unzulässiger Weise, so nimmt - wie an Hand der Fig. 2 geschildert ist - der Erregerstrom
IR immer mehr ab und wird schließlich Null, so daß der Erregerumformer 11, 12 und
13 stehenbleibt und der Hauptgenerator ebenfalls spannungslos wird. Es wird also
durch die Anordnung der Erfindung nicht nur der Hauptgenerator vor Überspannung,
sondern der Erregerumformer auch vor Überdrehzahl geschützt.
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Die Fig.4 zeigt die Anwendung der Erfindung auf eineNetzersatzanlage
mitSchwungradspeicher. Derartige Anlagen sind insbesondere zur Speisung von Netzen
erwünscht, in denen eine Störung des allgemeinen Versorgungsnetzes (Lande;snetz)
sich nicht auswirken soll. Der Synchrongenerator 15 speist hier ein eigenes Netz,
z. B. das Netz eines Verstärkeramtes, das mit dem all-emeinen Netz keine elektrische
Verbindung hat. Der Synchrongenerator 15 wird jedoch vom allgemeinen Netz mittels
eines Motors 17 (Drehstrommotor) angetrieben, wobei außerdem noch ein Schwungrad
16 vorgesehen ist, das bei einem Ausfall des allgemeinen Netzes vorübergehend den
Antrieb des Generators 15 übernimmt, bis entweder eine andere Stromquelle für die
Speisung des Motors 17 eingeschaltet ist oder eine Primärmaschine (z. B. ein Dieselmotor)
den Antrieb des Generators 15 übernimmt. Da nun in einem solchen Störungsfall durch
den Energieentzug das Schwungrad 16 in der Drehzahl abfällt, so sorgt die erfindungsgemäße
Schaltung, die bezüglich der Teile 2, 3, 4, 5, 6 und 7 mit der Schaltung der Fig.
i übereinstimmt, dafür, daß bei Drehzahlabfall der Erregerstrom für die Maschine
15 zunimmt. Bei richtiger Abstimmung bliebt demnach die Spannung am Generator 15
nahezu konstant, so daß die angeschlossenen Verbraucher von dem Ausfall des Versorgungsnetzes
nichts merken. Der Generator ist hier als schleifringloser Generator mit umlaufendem
Gleichrichter und zwei verschiedenpoligen Wicklungssystemen im Ständer und im Läufer
ausgeführt. Die vom Gleichrichter 2 gespeiste Erregerwicklung im Ständer des Generators
15 induziert eine Wechselstromwicklung im Läufer, die über eingebaute Trockengleichrichter
die Gleichstromerregerwicklung des Läufers speist, die ihrerseits die an das Netz
angeschlossene Ständerwicklung des Generators induziert. Eine gegenseitige Beeinflussung
der beiden Wicklungssysteme wird durch die verschiedene Polzahl (z. B. im Verhältnis
1 :2) verhindert. Die ganze Anlage arbeitet demnach ohne offene Kontakte.