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Kompoundierungseinrichtung für Synchron-Generatoren mit Selbsterregung
Zur Konstantlialtung der Spannung von Synchron-Generatoren bei veränderlichen Werten
von Belastung und Leistungsfaktor muß die Gleichstromerregung entsprechend geändert
werden. Dies erfolgt im allgemeinen durch einen selbsttätigen Spannungsregler. Da
dieser Aufwand bei kleineren Generatorleistungen nicht tragbar ist und auch die
Ausregelzeit bei Strombelastungen infolge der Zeitv erzögerung in den meist selbsterregten
Erregermaschinen zu groß ist, werden für die Fälle, wo man besonderen Wert auf geringe
Spannungsabweichungen bei starken Laststößen legt, kompoundierte, also selbstgesteuerte
Synchron-Generatoren ohne Erregermaschine verwendet. Um die Phasenlage des Stromes
für die richtige Erregung der Generatoren zu berücksichtigen, unterteilt man dabei
die Erregung in zwei Teile, wobei der eine Teil der Leerlauferregung über eine Drossel
oder einen Transformator von der Generatorwechselspannung entnommen wird, während
der lastabhängige Erregerstrom vom Generatorstrom über Stromwandler geliefert wird.
Durch Vergleich der Phasenlage des Generatorstromes mit der Generatorspannung wird
hierbei erreicht, daß sich der Wirkstromanteil des Generatorstromes senkrecht und
der Blindstromanteil algebraisch mit dem Leerlauferregerstrom zusammensetzt (sogenannte
go°-Kompoundierung). Damit liegen die Erregerströme, die eine derartige Schaltung,
z. B. bei reiner Blindbelastung (cos T = o) und reiner Wirklast (cos 99 = i) beim
Generatorstrom o bis ioo%, liefern kann, fest. Man findet nun, daß die Erregerwerte
bei modernen,
gut ausgenützten Generatoren zwischen cos (p = o und
cos 99 = i weiter auseinanderliegen als derartige go°-Konipoundierungsschaltungen
zu liefern vermögen. Durch Herabsetzung der Generatortypenleistung oder in bekannter
Weise durch Einführung einer weiteren Zusatz-Erregereinrichtung ist eine Anpassung
der Generator-Erregerkennlinien an die von der go°-Kompoundierungsschaltung gelieferten
Erregerwerte möglich. Zweck der Erfindung ist, daß auch bei voller thermischer Ausnützung
der Generatoren die go°-Kompoundierungsschaltung so abgeändert werden kann, daß
die erforderlichen Erregerwerte von der Kompoundierung geliefert werden.
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Die Erfindung betrifft eine Kompoundierungseinrichtung für Synchron-Generatoren
mit Selbsterregung über die Generatorwechselspannung, wobei ein lastunabhängiger
Grunderregerstrom durch an einer oder mehreren Phasen der Generatorwechselspannung
angeschaltete Drosseln über Gleichrichter geliefert wird, während ein lastabhängiger
Anteil des Erregerstromes, der vom Generatorstrom über Stromwandler aus einer oder
mehreren Phasen entnommen wird, parallel zur Drosseleinspeisung auf die Erregergleichrichter
arbeitet, und eine weitere Zusatz-Erregungseinrichtung zum Ausgleich der leistungsfaktorabhängigen
Abweichungen des durch die Schaltung gelieferten Erregerstromes von seinem Sollwert
vorhanden ist. Die Erfindung besteht darin, daß eine Anpassung der von der Schaltung
gelieferten Erregerströme hinsichtlich der Scherenöffnung der Wirk- und Blindlast-Kennlinien
an die bei verschiedenen Leistungsfaktoren zur Konstanthaltung der Generatorspannung
erforderliche Scherenöffnung der Erregerkennlinien des Generators in Selbststeuerung
dadurch erfolgt, daß entsprechend der jeweiligen phasenmäßigen Zusammenschaltung
der Drosseln und Stromwandler - ohne bzw. mit Phasenverschiebung - als weitere Zusatz-Erregungseinrichtung
eine gleich- bzw. gegengerichtete, konstante oder vom Generatorstrom abhängige Zusatzerregung
mit einer zweiten Erregerwicklung vorhanden ist.
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Fig. i zeigt eine Ausführung des Erfindungsgedankens am Beispiel eines
Einphaseilwechselstrom-Generators. Das zugehörige Stromspannungsdiagramm ist in
Fig. 2 dargestellt. Fig. 3 zeigt die Erregerkennlinie-n dieser Selbststeuerungsschaltung.
In Fig. 4 ist ein Drehstromgenerator mit dreiphasiger Kompoundierungsschaltung dargestellt,
wobei sich der Blindstrom unter 6o° zum Leerlauferregerstrom addiert. Fig. 5 zeigt
das zugehörige Zeigerdiagramm und Fig.6 die erzielten Erregerkennlinien. Fig. 7
stellt eine Variation der Schaltung nach Fig.4 dar. In Fig.8 wird schließlich eine
einphasige Kompoundierungsschaltung gezeigt, bei der sich der Generatorblindstrom
unter 30° zur Leerlauferregung addiert. Das zugehörige Zeigerdiagramm ist in Fig.
g dargestellt.
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In. den Figuren bedeuten i der Synchron-Generator mit den Gleichstromerregerwicklungen
2 und 3, Trockengleichrichter 4., Luftspaltdrossel 5, Stromwandler 6 und io, Anschlußtransformator
7, Trockengleichrichter 8 und einstellbarer Widerstand g.
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Wirkungsweise: In Fig. i erregt sich der Generator in bekannter Weise
über die Luftspaltdrossel 5 und Gleichrichter .4 bis zur Nennspannung. Es fließt
dann der Leerlaufpolradstrom 1po, der dem Strom JD,. der Drossel 5 entspricht und
letzterer gemäß Fig. 2 der Klemmenspannung U-IT um go° nacheilt. Bei Belastung wird
dem Leerlauferregerstrom JD,, zusätzlich über den Stromwandler 6 und Gleichrichter
4 ein lastabhängiger Anteil des Erregerstromes aufgedrückt, der sich gemäß Fig.
2 so mit dem Drosselstrom JD,. zusammensetzt, daß sich die Blindkomponente JB des
Generatorstromes J algebraisch und die Wirkkomponente JW geometrisch senkrecht zum
Leerlauf strom JD,, addieren. Damit ergeben sich die in Fig. 3 dargestellten Erregerkennlinien
a und b bei cos p = i und cos p = o. Da die bei Generatornennstrom
(J = ioo°/o) auftretende Differenz im Polradstrom zwischen cos (p = o und
cos 9p = i kleiner ist, als die tatsächliche Differenz bei modernen ausgenutzten
Generatoren beträgt, wird nun erfindungsgemäß der durch die Drossel 5 eingestellte
Leerlauferregerstroin von 1.o auf Jno+ gemäß Fig.3 erhöht, wodurch sich die durch
die Kennlinien a, b
gebildete Schere mehr öffnet. Um wieder auf den der Nennspannung
entsprechenden Leerlauferregerstrom 11, zu kommen, ist eine konstante Gegenerregung
erforderlich, die von der Generatorspannung über dein Transformator 7 und Gleichrichter
8 entnommen und der Feldwicklung 3 im gegenerregenden Sinne zugeführt wird. Mittels
Anzapfungen im Transformator 7 oder mittels des Parallelwiderstandes g kann hierbei
die Leerlauferregunggenau eingestellt bzw. der Spannungssollwert betriebsmäßig geändert
werden. Durch diese Parallelverschiebung der Kennlinien a, b nach A, B wird
erfindungsgemäß die vergrößerte Scherenöffnung beibehalten. Die Anpassung der Scherenöffnung
der Schaltung an die vom Generator für konstante Spannung geforderten Erregerwerte
erfolgt durch geeignete Wahl der Größe von J',+ mittels Luftspalteinstellung der
Drossel 5 und entsprechende Einstellung der Gegenerregung des Feldes 3 mittels Anzapftransformator
7 oder Einstellwiderstand g. Die Anpassung des richtigen Kompoundierungsgrades,
d. h. der Neigung der Kennlinie A, B,
erfolgt durch Anzapfungen am Stromwandler
6 oder durch einen Parallelwiderstand zu den Sekundärklemmen dieses Stromwandlers.
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Eine andere Lösung der gestellten Aufgabe ist mittels der Schaltung
nach Fig. 4. möglich, wobei die Drosseln (5 a bis 5 c) für die Erzeugung des Grunderregerstromes
an der Phasenspannung liegen und jeweils der Grunderregerstrom einer Phasendrossel
mit dem Generatorstrom der folgenden Phase addiert wird. Hierdurch addiert sich
der Generatorblindstrom unter 6o° zum Leerlaufstrom, während sich der Generatorwirkstrom
unter 30° vom Leerlaufstrom subtrahiert. Damit erreicht man gemäß dem Zeigerdiagramm
in Fig.5 Erregerkennlinien
a, b nach Fig. 6, die eine besonders
große Scherenöffnung aufweisen. Das Absinken der Erregung gemäß der Kennlinie a
in Fig. 6 unter den Leerlauf strom Jpo bei zunehmendem Generatorstrom kann durch
eine Zusatzerregung (Feld 3 in Fig. q.) vermieden werden, die vom Generatorstrom
über den Stromwandler 7 und Gleichrichter 8 gespeist wird. Die Kennlinien a, b in
Fig. 6 werden entsprechend dieser Zusatzerregung nach der Kennlinie c angehoben,
und es entstehen die Erregerkennlinien A, B mit weit geöffneter Schere. Die
Steilheit dieser Kennlinien, d. h. die richtige Anpassung des Verhältnisses von
Nennlasterregung zu Leerlauferregung, kann mittels des Widerstandes 9 oder mittels
Anzapfungen am Stromwandler 7 erfolgen, wodurch die Steigung der Kennlinie c beeinflußt
wird. Der Leerlauferregerstrom Jpo wird wieder durch den Luftspalt der Drosseln
5 a bis 5 c eingestellt, während die Scherenöffnung durch den Kompoundierungsgrad
mittels Anzapfungen der Stromwandler 6a bis 6c oder mittels Parallelwiderstand zu
diesen Stromwandlern an den Generatorerregungsbe.darf in gewissen Grenzen angepaßt
werden kann.
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Da bei Stoßbelastung die Erhöhung der Erregerströme in beiden Feldern
durch die Stromwandler momentan erzwungen wird, ist dieser Generator sehr spannungssteif.
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In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung an einem
dreiphasigen Generator dargestellt, wobei sich der Generatorblindstrom JB ebenfalls
unter 6o° zum Leerlauferregerstrom addiert und der Wirkstrom JW unter 30° subtrahiert.
Diese Schaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß die drei Stromwandler 6a bis 6c
in einem Sternpunkt zusammengefaßt sind und daß sie zusammen mit den Drosseln 5
a bis 5 c auf einen Gleichrichter in Drehstrombrückenschaltung arbeiten, wobei die
Drossel einer Phase jeweils mit dem Stromwandler der folgenden Phase zusammengeschaltet
ist.
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Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei
sich der Generatorblindstrom JB unter 30° mit dem Leerlauferregerstrom addiert und
der Generatorwirkstrom sich unter 6o° vom Grunderregerstrom abzieht. Die Schaltung
ist dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel 5 zur Erzeugung des Grunderregerstromes
an der verketteten Generatorspannung liegt und daß der Strom der an zwei Phasen
liegenden Drossel 5 mit dem Strom des Stromwandlers addiert wird, der an einer der
beiden Phasen angeschlossen ist und dessen Phasenlage so ist, daß sich der Generatorblindstrom
JB unter 6o° zu der verketteten Spannung addiert.
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In Fig. 9 ist z. B. die Addition in der Phase W dargestellt. Die Wirk-
und Blindströme in der Phase W addieren sich in der beschriebenen Weise zum Drosselstrom
JD,, der an der verketteten Spannung h-W angeschlossenen Drossel 5. Mit dieser Schaltung
erhält man eine Scherenöffnung, die ebenfalls größer als bei der anfangs erwähnten
bekannten Schaltung, jedoch kleiner als nach den Schaltungen in Fig. q. und 7 ist.
Durch die Zusatzerregung im Feld 3 müssen die Erregerkennlinien wie bei Fig.6 in
Abhängigkeit vom Generatorstrom angehoben werden. Das bei den Schaltungen nach Fig.
q. und 7 Gesagte hinsichtlich der Anpassung der Erregerkennlinien an den Erregerbedarf
des Generators gilt auch hier. Der Stromwandler io wird im Interesse einer gleichmäßigen
Phasenbelastung an die Phase angeschlossen, an der die Drossel 5 und Stromwandler
6 nicht liegen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es
möglich, auf einen besonderen Stromtransformator 7 oder io zu verzichten und den
erforderlichen Zusatzerregerstrom einem der Stromtransformatoren 6 a bis 6 c zu
entnehmen.
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Durch wahlweise Verwendung der Schaltungen nach Fig. q., 7 und 9 und
den beschriebenen weiteren Anpaßmöglichkeiten ist man in der Lage, eine Anpassung
auch an Generatoren mit sehr verschiedenen Erregerkennlinien vorzunehmen.
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Die Erfindung kann bei Außenpol- und Innenpolgeneratoren angewendet
werden. Bei der Anwendung der Erfindung auf Innenpolgeneratoren, bei denen der Erregerstrom
bekanntlich über Schleifringe zugeführt wird, müßten bei Verwendung von zwei Erregerwicklungen
je Erregerwicklung zwei, insgesamt vier Schleifringe verwendet werden. Dieser Aufwand
läßt sich erfindungsgemäß dadurch vereinfachen, daß die beiden Erregerwicklungen
jeweils an einem Ende miteinander galvanisch verbunden werden und dort einem gemeinsamen
Schleifring zugeführt werden, wodurch ein Schleifring eingespart wird und somit
nur noch drei Schleifringe verwendet werden. Diese Maßnahme kann selbstverständlich
sowohl bei Mit- als auch bei Gegenerregung durch die Einrichtung zur Zusatzerregung
angewendet werden.
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Um eine sehr genaue Spannungskonstanthaltung zu erzielen, kann außer
der beschriebenen Anpassung der Erregerkennlinien der Kompoundierungs-oder SelbststeuerungsschaItung
an die Erreger-. werte des Generators auch noch eine zusätzliche Feinregelung erfolgen,
indem die Stromwandler 6 eine Steuerwicklung erhalten und durch einen von der Generatorspannung
abhängigen Meßkreis zusätzlich beeinflußt werden.