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Anordnung zur Erzielung einer gleichbleibenden Drehzahl bzw. Frequenz
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzielung einer gleichbleibenden
Drehzahl bzw. Frequenz an elektrischen Maschinen, insbesondere zur Erzielung einer
gleichbleibenden Drehzahl von Gleichstrommaschinen, wobei in an sich bekannter Weise
die Stromaufnahme eines in Abhängigkeit von dieser Drehzahl oder Frequenz gespeisten,
aus Drosselspulen und Kondensator gebildeten elektrischen Parallelschwingkreises
für die Regelung der Drehzahl bzw. Frequenz ausgenutzt wird. Gemäß der Erfindung
werden an dem Schwingkreis die vektorielle Summe und die vektorielle Differenz des
Drosselspulen- und des Kondensatorstromes gebildet; der Summenstrom und der Differenzstrom
in Überlagerung bestimmen dann unmittel bar oder mittelbar die Drehzahl bzw. Frequenz.
Wenn also die Maschine von einer Solldrehzahl abweicht, so wird der Schwingkreis
verstimmt und seine Stromaufnahme ändert sich, z. B. bei zu hoher Drehzahl wird
sie voreilend, bei zu kleiner nacheilend.
Diese Stromänderung kann
in geeigneter Weise nach Gleichrichtung auf die Erregung einwirken. Der Wechselstrom
zur Speisung des Schwingkreises kann über Schleifringe der zu regelnden Gleichstrommaschine
selbst entnommen werden, die Wechselstromquelle kann auch ein von der Gleichstrommaschine
unmittelbar angetriebener oder durch sie mittelbar gesteuerter Generator sein.
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Einige Ausführungsbeispiele sollen den Erfindungsgedanken näher erläutern.
In Fig. i bedeutet i eine Gleichstrommaschine, die von einem Gleichstromnetz 2 schwankender
Spannung gespeist wird. Die Erregerwicklung 3 wird über den Gleichrichter q. und
einen Schwingungskreis gespeist, der aus der Drosselspule 5, dem Kondensator 6 und
den beiden Stromwandlern 7 und 8 besteht. Der Schwingungskreis ist einphasig dargestellt.
Er kann an zwei oder drei Hilfsschleifringen der Maschine 1 angeschlossen werden.
Der Schwingungskreis stellt in der dargestellten Schaltung einen Konstantstromkreis
dar. Man macht die Blindleistung in den beiden Blindwiderständen 5 und 6 zweckmäßig
groß gegenüber der Erregerleistung in der Wicklung 3. Dies ist ohne weiteres möglich,
weil sich bei der Solldrehzahl beide Leistungen für die speisenden Schleifringe
gegenseitig aufheben. Der Strom J1 ist dann Null. Er ergibt sich als geometrische
Summe des Drosselstromes JD und des Kondensatorstroines Jc. Der Strom J,
in der Zeitwicklung des Umspanners 7 kommt dagegen als geometrische Differenz der
beiden Ströme zustande und stellt bei allen Widerstandswerten der angeschlossenen
Belastung (Erregerwicklung 3) einen gleichbleibenden Wert dar, wie sich aus der
Theorie solcher Konstant-Stromkreise nachweisen läßt. Fig. ab zeigt das Strom- und
Spannungsbild für den Fall der Solldrehzahl. Der Einfachheit wegen ist angenommen,
daß die Erregerleistung in der Wicklung 3 klein ist gegenüber den Blindleistungen
in den Widerständen 5 und 6. In diesem Falle sind die Ströme nahezu um 9o° gegenüber
der speisenden Spannung U verschoben, so daß die Bilder sehr einfach werden. In
Fig. 2b ist der Strom Ji Null, der Strom J2 erreicht dagegen den vollen der Spannung
U entsprechenden Wert. Er wird als Erregerstrom Je der Erregerwicklung zugeführt.
Fig. 2 a gibt den Fall wieder, wo die Drehzahl unterhalb des Sollwertes liegt (Beibuchstabe
u). Die speisende Frequenz liegt hierbei unterhalb des Eigenwertes, der Drosselstrom
ist gr,.ößer als der Kondensatorstrom, so daß ein nacheilender Erststrom Jiu zustande
kommt. Dieser wird durch den Umspanner 8 umgekehrt und J, überlagert. Es ergibt
sich ein kleinerer Gesamtstrom Je = J2 - TI u, der das Feld schwächt und die Drehzahl
hochtreibt. Das Umgekehrte ist der Fall, wenn die Drehzahl oberhalb des Sollwertes
liegt (Beibuchstabe o). Der Erststrom J., wird hier voreilend und der Gesamterregerstrom
Je = J2 -I- J1 o größer als J2, so daß das Feld verstärkt und die Drehzahl
gesenkt wird. Durch geeignete Wahl der Blindleistungen in den Widerständen 5 und
6 und der Übersetzungsverhältnisse in den Umspannern 7 und 8 kann man erreichen,
daß geringere Drehzahl- bzw. Frequenzabweichungen große Änderungen des Stromanteils
J, im Erregerstrom zur Folge haben. Es läßt sich demnach die Solldrehzahl recht
genau einhalten.
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Fig. 3 stellt im wesentlichen die gleiche Anordnung dar, nur wird
der Wechselstrom zur Speisung des Schwingungskreises nicht über Schleifringe der
Gleichstrommaschine i entnommen, sondern dem mit der Gleichstrommaschine gekuppelten
Generator 9, der ein Wechselstromnetz io speist, dessen Frequenz konstant gehalten
werden soll. Soweit die gleichen Bezugszeichen verwendet wurden, haben sie die gleiche
Bedeutung wie in Fig. i.
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In Fig. ¢ ist der Erfindungsgedanke noch angewendet auf den Antrieb
eines Reglerpendels von Wasserturbinen. 16 bedeutet diese Turbine, die mit dem Generator
9 gekuppelt ist, der auf das Drehstromnetz io arbeitet. Das Pendel 17 regelt über
einen Oldruckregler 18 die Turbine und wird von dem Gleichstrommotor i angetrieben,
dessen Anker am Gleichstromnetz 2 liegt. Die Erregerwicklung 3 wird wieder über
4., 5, 6, 7 und 8 gespeist. Weicht die Frequenz im Netz io von ihrem Wert ab, so
ändert der Gleichstrommotor i seine Drehzahl und hat dadurch über das Pendel 17
eine Änderung in der Beaufschlagung der Turbine zur Folge, die im Sinne einer Wiederherstellung
der Sollfrequenz wirkt. Bei dieser Anordnung entfällt der mit verschiedenen Nachteilen
behaftete Antrieb des Pendels von der Turbinenwelle, sei es unmittelbar oder mittels
Riemen. Das Pendel und sein Antriebsmotor können daher für eine günstige Drehzahl
bemessen werden. Eine besonders vorteilhafte Eigenschaft der Anordnung ist darin
zu sehen, daß bei starken Spannungseinbrüchen am Generator auch die Erregung des
Pendelmotors i geschwächt wird. so daß seine Drehzahl steigt. Dem Pendel wird demnach
eine zu hohe Generatordrehzahl vorgetäuscht, und die Turbinenbeaufschlagung wird
verringert. Ferner ist die Ansprechgenauigkeit viel höher als bei einem unmittelbar
angetriebenen Pendel, weil der frequenzabhängige Erregerstromanteil als Differenz
zweier Ströme so groß gemacht werden kann, daß geringe Drehzahländerungen am Hauptgenerator
große Drehzahländerungen des Pendelmotors bewirken. Der Gleichstrom zum Antrieb
des Pendelmotors kann der bei neueren Generatoren meistens vorhandenen und mit konstanter
Spannung arbeitenden Hilferregermaschine entnommen werden. Zum Anfahren der Turbine
kann der Pendelmotor fremderregt werden. Die Einstellung des Schwingungskreises
auf einen neuen Sollwert der Frequenz bzw. Drehzahl geschieht zweckmäßig durch eine
regelbare Drossel. Man kann auf diese Weise Drehzahl und Frequenz über einen bestimmten
Bereich stetig regeln. Man kann auch das Reglerpendel und den Antriebsmotor i ganz
entbehren, wenn man den von den beiden Stromwandlern 7 und 8 gelieferten Strom unmittelbar
der Steuerspule eines öldruckreglers zuführt, die dessen Steuerkolben betätigt.
Der Oldruckregler beeinflußt dann die Beaufschlagung der Turbine.
Man
kann es hierbei wieder so einrichten, daß starker Spannungseinbruch ebenso wirkt
wie eine Frequenzerhöhung und die Beaufschlagung verringert, es ist aber auch umgekehrt
möglich, mit Spannungseinbruch die Beaufschlagung zu vergrößern, obwohl dies im
allgemeinen nicht erwünscht ist. Die verschiedene Wirkung kommt je nach der Zuordnung
der beiden Ströme 11 und J2 und dem Betätigungssinn der Steuerspule zustande.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel in Abänderung der Anordnung nach Fig. 4.. Die-
Summe der beiden Ströme 1, und J, wird der Steuerspule i9 des Oldruckreglers 18
unmittelbar zugeleitet, die über den Steuerkolben 2o den Regler steuert. Der Regler
zeigt den gleichen einfachen Aufbau mit nur einer Spannungs- bzw. Stromspule wie
zur Spannungsregelung. Die Tatsache, dali der Regler auch auf Spannungsänderungen
anspricht, ist im Bereich kleiner Spannungsänderungen nicht weiter störend, einmal
weil ja der sowieso vorhandene Spannungsregler die Spannungsschwankungen wieder
ausregelt. dann aber auch deshalb, weil der Frequenzeinfluß bei weitem überwiegt
und Spannungseinflüsse auf den Regler durch kleinste Frequenzänderungen aufgehoben
werden können. Wenn der zulässige Frequenzbereich überschritten wird, kann der über
einen gewissen Betrag anwachsende frequenzabhängige Strom zum Abschalten der Maschine
benutzt werden. Man kann auch das Ansprechen des Reglers auf Spannungsänderungen
vermeiden, wenn man als Gegenkraft nicht eine Feder auf den Steuerkolben des öldruckreglers
einwirken läßt, sondern z. B. die Zugkraft einer Spule, die von dem weitgehend frequenzunabhängigen
Strom J2 durchflossen wird. Beim Sollwert der Frequenz wird dann die Zugkraft der
von den Strömen J2 -i- il durchflossenen Spule durch die Zugkraft der vom Strom
1, durchflossenen Spule gerade aufgehoben, und der Steuerkolben ist in der Mittellage.
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.Man kann auf diese Weise die Regelung der Kraftmaschinen unmittelbar
durch die Frequenz erfolgen lassen, was eine Reihe von Vorteilen mit sich bringt.
Statt durch eine Gleichstrommaschine kann ini Falle der Fig. 4. das Pendel 17 auch
durch eine vom Generator 9 gespeiste Wechselstromwenderniaschine angetrieben werden,
die unmittelbar von den Generatorklemmen gespeist wird. Fig. 6 zeigt eine solche
Anordnung. a1 bedeutet die Wechselstrom-Stromwendermaschine mit dem Zwischenumspanner
22. Die Maschine wird als kompensierter ständergespeister Nebenschlußmotor betrieben,
die Bürsten befinden sich in der Kurzschlußstellung, so daß sich Ständerstrom- und
Lä uferstrombelag gegenseitig aufheben. Der sich über die Umspanner 7 und 8 schließende
Strom stellt daher vorwiegend Erregerstrom dar, der bei Abweichungen der Frequenz
vom Sollwert um den Betrag Ji verstärkt oder geschwächt wird, so daß sich entsprechend
die Drehzahl des Motors 21 und des Pendels 17 ändert. In ähnlicher Weise ließen
:ich noch mehr Anwendungen des Erfindungsgedankens auf Wechselstromwendermaschinen
finden. Die Maschine i in Fig. i kann auch ein Einankerumformer sein, von dessen
Schleifringen außer dem Schwingungskreis noch andere Verbraucher mit konstanter
Frequenz gespeist werden.