-
Modellkraftwerksmaschine zum Studium der Stabilität elektrischer Maschinen
und Kraftwerke Modellversuche, welche das Verhalten von Kraftwerken bei plötzlichen
Belastungsänderungen zu studieren erlauben, sind bekannt. Man sucht dabei kleine
Maschinen zu benutzen, um die Versuche mit möglichst geringem Aufwand an Zeit, Maschinen
und Arbeitskräften durchführen zu können. Dies setzt aber voraus, daß die kleinen
Maschinen den Kraftwerksmaschinen in ihren Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich
ihrer elektrischen und mechanischen Zeitkonstanten entsprechen.
-
Es ist bekannt, daß die mechanische Zeitkonstante einer rotierenden
Maschine durch zusätzliche Schwungmassen, vorzugsweise Schwungscheiben, leicht erhöht
und dadurch der großen Kraftwerksmaschine angeglichen werden kann. Schwieriger ist
die Anpassung in elektrischer Hinsicht. Dafür sind auch Vorschläge gemacht worden,
welche die Anpassung z. B. durch die Wahl einer anderen Drehgeschwindigkeit zu erreichen
suchen. Außerdem ist es bekannt, eine Vergrößerung der Zeitkonstanten der Erregerwicklung
einer Modellmaschine dadurch zu erreichen, daß in den Erregerkreis zusätzlich ein
Gleichstromreihenschlußgenerator eingeschaltet wird.
-
Bei einem Modellkraftwerk zum Studium der Stabilität elektrischer
Maschinen und Kraftwerke bei Störungen, unter Verwendung von Modellkraftmaschinen
mit etwa i kVA Leistung, besteht die Erfindung darin, daß deren Statoren in an sich
bekannter Weise mit tiefen Nuten und bis zur
Wicklung hin reichenden
langen und schmalen Schlitzen versehen sind sowie durch Anwendung einer verminderten
Stromdichte der Wicklungsquerschnitt in den tiefen Nuten verstärkt und die Zahnstege
zwischen den Nuten durch die für die Aufnahme der verstärkten Wicklung verbreiterten
Nuten so weit eingeengt sind, daß in ihnen die für Großmaschinen üblichen Zahnsättigungen
auf der ganzen Steglänge erreicht werden und daß eine in den Erregerkreis der Modellmaschine
eingespeiste fremde Energie durch einen Regler mit hoher Verstärkung und geringer
Trägheit für den Erregerstrom von einer nahezu Null betragenden Spannung von der
Form v = E-k₧J gesteuert ist. Hierbei bedeutet v die Eingangsspannung des
Reglers, E die EMK der fremd einspeisenden Energiequelle E und k₧J den durch
den Erregerstrom J der Modellmaschine verursachten Spannungsabfall, hervorgerufen
durch einen konstanten Widerstand k.
-
Besondere Nutenformen, z. B. tiefe Nuten und enge und tiefe Nutenöffnungen,
sind als konstruktive Hilfsmittel bei normalen großen Maschinen bekannt, um gewünschte
Eigenschaften, wie eine erhöhte Nutenstreuung, zu erreichen. Aber es ist noch niemals
der Versuch gemacht worden, durch diese Mittel die elektrische Zeitkonstante einer
Modellmaschine von der Größe von etwa I kVA an die Zeitkonstante einer schweren
Kraftwerksmaschine anzupassen. Die einerseits angewendete Überdimensionierung des
Kupferquerschnitts hat eine Verkleinerung der Induktion in den Nutenstegen zur Folge,
welche durch die Verbreiterung der Nuten den Kraftfluß in die dadurch verengten
Stege stärker zusammendrängt und im Endeffekt wieder erhöht. Wo bisher ähnliche
Konstruktionsgedanken verfolgt wurden, hat es sich nicht um die Aufgabe gehandelt,
kleinen Maschinen von etwa I kVA eine elektrische Zeitkonstante zu geben, die mit
der Zeitkonstanten der Großmaschine vergleichbar ist.
-
Einzelheiten einer Reglerschaltung, die an sich bekannt sind, sind
in den Fig. 2 bis 6 beispielsweise erläutert.
-
Zur Erläuterung des Grundgedankens der Erfindung dient beispielsweise
die Fig. I.
-
In Fig. I besitzt der Rotor I einer Modellmaschine nach der Erfindung
Nuten 2, welche groß genug sind, um die Wicklungen und Dämpfer in sich aufzunehmen;
außerdem haben sie enge und tiefe, Luftspalte 3 bildende Nutenöffnungen, um die
Streureaktanzen zu erhöhen. Der Anker 4 der Modellmaschine hat ebenfalls im unteren
Teil verbreiterte tiefe Nuten, zwischen denen nur schmale Stege bleiben, wodurch
die Induktion in ihnen erhöht ist, obwohl die überdimensionierten Kupferquerschnitte
in den Nuten eine Verminderung der Induktion zur Folge haben. Auch im Anker sind
enge und tiefe Luftspalte bildende Nutenöffnungen vorgesehen.
-
Es ist aber auch möglich, die Streuung zum Teil sowohl für den Anker
wie auch für den Erreger in Selbstinduktionsspulen außerhalb der Maschine zu verlegen,
die vorteilhafterweise regelbar sind. Eine derartige Anlage erlaubt es, die Sättigungsverhältnisse
und die Streuung der einander anzupassenden Kreise selbst bei kleinen Maschinen
anzugleichen.
-
In Fig. 2 ist angenommen, daß der Stromkreis B, C mit dem Widerstand
R und der Selbstinduktion L beispielsweise durch die Wirkung einer Maschine dargestellt
ist, deren Zeitkonstante geändert werden soll.
-
Mit E ist eine Stromquelle bezeichnet, welche eine elektromotorische
Hilfskraft in dem Kreis erzeugen soll und beispielsweise durch eine Maschine mit
Serienschaltung dargestellt ist mit einer Wicklung S. Mit u ist eine Stromquelle
bezeichnet, die einen Strom I von gewünschter Stärke erzeugen kann, der über einen
Widerstand r geleitet wird. Zwischen den Punkten B' und C liegt eine Wicklung, die
als Kompensationswicklung zu Wicklung BC dient und auf demselben Magnetkern mit
derselben Windungszahl gewickelt ist wie BC und somit eine möglichst starre magnetische
Verkettung mit der Wicklung BC hat. Vorteilhafterweise sind beide Wicklungen B C
und B' C gleichzeitig als Doppeldraht gewickelt, um eine möglichst geringe Streuung
zwischen ihnen zu erhalten. Eine ähnliche Wicklung kann auch für die Spule S vorgesehen
sein. Am ist ein Verstärker als Regler, beispielsweise ein Röhrenverstärker, welchem,
wie in der Zeichnung erkennbar ist, die Spannung v zwischen den Punkten A und A'
zugeleitet wird. Dieser Verstärker wirkt auf die Spannungsquelle E beispielsweise
durch eine Hilfserregerwicklung s.
-
Für den Stromkreis mit der Stromquelle is, dem Widerstand r, dem Punkt
C, der Selbstinduktionsspule B' C, dem Verstärker Arn, den Punkten
A'
und A gilt unter Berücksichtigung dessen, daß die Stromaufnahme des Verstärkers
im Vergleich zu dem die Spule B C durchfließenden Strom I vernachlässigbar
klein ist, daß
Es gilt:
weil der Kraftfluß in den beiden Wicklungen B C und B' C derselbe ist. Wenn
der Regler Airs richtig eingestellt ist, um die Spannung v auf Null einzuregulieren,
dann ist
Da der Strom in dem Stromkreis C B' A' A C Null ist, gilt diese Gleichung
auch für den Stromkreis CBSAC, so daß schließlich der scheinbare iderstand des Stromkreises
B C sich gleich r
ergibt und die neue Zeitkonstante:
beträgt.
Der Widerstand r ist regelbar, ebenso die Spannung v. Wenn
es notwendig ist, Kippschwingungen zu vermeiden, kann man bei der in Fig. 6 dargestellten
Schaltung eine geeignete Vorrichtung mit dem Regler verbinden, durch welche eine
Spannung va mit entgegengesetztem Sinn wie die Spannung v eingeführt wird, die gerade
in dem Augenblick auftritt, in welchem der Strom am Punkt A den für die Korrektur
notwendigen Betrag unterschreiten würde. Bei dieser Schaltung ermöglichen es die
äußeren Kondensatoren Cl und C3, die Ausgangsspannung unmittelbar an der Eingangsseite
des Verstärkers zuzuleiten. Die regelbare Induktivität L1 gibt die Möglichkeit,
den Zeitpunkt t zu wählen, an welchem die Spannung va eine gewünschte Größe erreicht.
X' ist dabei ein Potentiometer mit großem Widerstand, bedeutet also eine große Zeitkonstante
im Vergleich zu der der Spule s und dient dazu, die Größe der Spannung va zu regeln.
-
Es ergibt sich also, daß man auf eine Wicklung wie die Wicklung B'
C verzichten und die Regulierung auch auf andere Weise durchführen kann.
-
Gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 wird am Regler Am eine Spannung
von der Form
zugefügt, indem beispielsweise der Regler zwischen einem passend gewählten Punkt
eines Potentiometers P, welcher zu den Klemmen der Spannungsquelle E parallel geschaltet
ist, und an einem Punkt De des Hauptstromkreises, nämlich an einer Klemme eines
Hilfswiderstandes r1 angeschlossen wird.
-
Bezüglich einerseits des Hauptstromkreises mit der Spannungsquelle
E und andererseits des mit dem Potentiometer P dem Regler A und dem Widerstand r1
kann man die Beziehung aufstellen
Daraus ergibt sich
Wenn das Potentiometer richtig eingestellt wird kann man erhalten: R+r1-pr1=0.
-
Daraus ergibt sich wiederum:
und die Zeitkonstante
Man hat hierbei also eine Spannung E = k I eingeführt, wobei k = R
wurde. Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht noch darin, daß sowohl bei der Anordnung
mit Kompensationswicklung als auch bei der Schaltung mit einem Potentiometer die
Stromquelle u in dem Einflußkreis des Reglers liegen kann. Im ersteren Falle (Fig.
4) übernimmt die Stromquelle u die gleiche Rolle wie in dem früheren Fall. Im zweiten
Beispiel (Fig. 5) ist eine Spannungsquelle u1 mit p-fach geringerer Spannungshöhe
einzusetzen. Diese Art der Anwendung der Spannungsquelle u bzw. u1 ist deswegen
vorteilhaft, weil der Einflußkreis des Reglers keine Leistung erfordert, weshalb
die Anwendung der Stromquelle u in diesem Kreis günstiger ist als an anderer Stelle,
wo erhebliche Ströme die Stromquelle durchfließen müssen.
-
Bei der Schaltung mit einem Potentiometer kann man den Widerstand
r durch eine geeignete Potentiometereinstellung entbehrlich machen, wenn folgende
Gleichung erfüllt wird R-r1(p-1)=r. Schließlich kann die Stromquelle E, die nach
den bisherigen Erläuterungen durch eine Erregermaschine dargestellt ist, durch andere
Mittel ersetzt werden, z. B. durch Gleichrichter, die in geeigneter Weise von der
Spannung v beeinflußt werden. Man kann z. B. Thyratrone anwenden, die von einem
Transformator aus einer Wechselstromquelle gespeist werden und deren Steuerelektroden
die Spannungsstöße von Stoßtransformatoren zugeleitet erhalten, wobei diese in Abhängigkeit
von der Spannung v beeinflußt werden und die bieten, daß eine gewünschte Phasenlage
der Spannungsstöße erreicht wird. Man kann so in geeigneter Weise auf die von den
Thyratronen gelieferte Spannung E einwirken und die gewünschte Regelwirkung erhalten.
-
Die Spannungsquelle E kann auch mit Hilfe eines veränderlichen Widerstandes
und einer Gleichspannungsquelle (Batterie usw.) gebildet werden. Der iderstand ist
dabei beispielsweise der innere Widerstand einer Entladungsröhre, der von dem Strom
I durchflossen wird. Der gewünschte Widerstandswert kann in jedem Augenblick durch
Einflußnahme auf die Steuerelektroden in Abhängigkeit von der Spannung v gesichert
werden.
-
Alle die erläuterten Ausführungsformen in den Fig.2 bis 6 geben also
die Möglichkeit, die Zeitkonstante jedes Anlageteiles oder jeder Maschine des Mikrokraftwerks
wie gewünscht zu beeinflussen. Insbesondere kann man die Zeitkonstante des Ankers
jeder Maschine, deren Verhalten und Stabilität man untersuchen will, regeln, und
zwar möge es sich um Einzelmaschinen oder um solche handeln, die in Verbindung mit
der Mikroanlage stehen. Man kann ferner die Gleichheit einander Zeitkonstanten oder
andere Bedingungen für die Ähnlichkeit erfüllen, bei denen die Zeitkonstanten eine
Rolle spielen, Die erläuterten Beispiele sind keineswegs erschöpfend, so daß es
noch weitere Möglichkeiten gibt.