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Erregungsanordnung für eine spannungs-und lastabhängig erregte Synchronmaschine
Es sind ruhende Erregeranordnungen für Synchronmaschinen bekannt, die aus Luftspaltdrosseln
und Transformatoren zusammengesetzt sind und deren Wirkungsweise darin besteht,
daß zwei Stromkomponenten, von denen die eine der Klemmenspannung und die andere
dem Belastungsstrom der Maschine proportional ist, geometrisch so addiert werden,
daß dabei die Phasenlage des Belastungsstromes berücksichtigt wird. Der aus dieser
geometrischen Addition sich ergebende Strom wird über Gleichrichter dem Polrad zugeführt.
Der auf diese Weise der Synchronmaschine zur Verfügung gestellte belastungsabhängige
Erregerstrom stimmt, besonders hei hoch ausgenutzten Innenpolmaschinen, häufig nicht
bei allen vorkommenden Belastungsfällen genügend gut mit demjenigen Erregerstrom
überein, den die Maschine zur Spannungskonstanthaltung braucht.
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Dies ist beispielsweise auch der Fall bei einer schon vorgeschlagenen
Erregungsanordnung für Synchronmaschinen mit einer spannungs- und lastabhängig erregten
Erregermaschine, bei der zu einer Grunderregung der Erregermaschine geometrisch
eine weitere Erregungskomponente addiert wird, die durch die Differenzbildung zweier
Steuergrößen entsteht, die von der Generatorspannung und dem Belastungsstrom abgeleitet
werden, um eine resultierende Steuergröße zu erhalten, die sowohl von der Größe
als auch vom cos 9p des Belastungsstromes abhängig ist.
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Der auf diese Weise gewonnene Erregerstrom ist weitgehend dem einen
ganz bestimmten Belastungsfall entsprechenden Erregungsbedarf der Synchronmaschine
angepaßt, so daß bei hochausgenutzten Maschinen nicht in allen vorkommenden Belastungsfällen
der verfügbare Erregerstrom mit dem für die Spannungskonstanthaltung notwendigen
Erregerstrom genügend übereinstimmt.
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Es ist ferner auch schon vorgeschlagen worden, den bei den bisher
beschriebenen Erregungsanordnungen bestehenden Mangel durch eine zusätzliche Regelung
zu beheben, und zwar dadurch, daß die lastunabhängige (Leerlauf-) Komponente des
Erregerstromes über eine Regeleinrichtung beeinflußt wird.
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Diese Art der Regelung ist jedoch nur für Maschinen vorteilhaft, bei
denen die zur Ausbildung des Feldes erforderliche Erregung (Leerlauferregung) nicht
viel kleiner ist, als die zur Kompensation des Ankerfeldes bei induktivem Nennstrom
erforderliche Zusatzerregung. Beträgt jedoch diese Zusatzerregung ein mehrfaches
der Leerlauferregung, handelt es sich also um eine sogenannte »weiche« Maschine,
so ist es unzweckmäßig, zum Regeln die die Leerlauferregung flussen, wie dies aus
dem im folgenden dargestellten Beispiel ersichtlich ist.
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In der Zeichnung stellen die Diagramme der Fig. 1 a und 1 b Erregerstromdiagramme
dar, in denen die lastabhängige Komponente JA etwa viermal so groß ist als die Leerlaufkomponente
IL.
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Aus Fig. 1 a ist ersichtlich, daß ein von einer Regelung an IL vorgenommener
Eingriff den resultierenden Erregerstrom T", nur darin wesentlich verändert, wenn
IL durch das Stellglied in sehr weiten Grenzen geändert werden kann.
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Noch ungünstiger liegen die Verhältnisse offensichtlich bei Belastung
mit reiner Wirklast, wie Fig. 1 b zeigt, wo die beiden Komponenten unter einem Winkel
(p=90° addiert werden, so daß selbst eine Verdoppelung von JL noch eine relativ
geringe Steuerwirkung besitzt.
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Die Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gestellt, die Erregungsanordnung
einer Synchronmaschine so zu gestalten, daß die Wirkung weder durch ein ungünstiges
Verhältnis JA/JL (Fig. l a) noch durch die Art der Addition von
JA und IL (Fig. 1 b) beeinträchtigt wird.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß der Erfindung im wesentlichen
darin, daß ein zusätzlicher steuerbarer Gleichstrom von einem Hilfsgleichrichter
geliefert und über Widerstände in umgekehrter Richtung wie der von der Kompoundierungsanordnung
gelieferte Gleichstrom ein und derselben Feldwicklung zugeführt wird.
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Der Hilfsgleichrichter kann dabei in einer besonderen Ausgestaltung
der Erfindung wechselstromseitig
von dem Ausgangsstrom eines steuerbaren
Schaltelementes gespeist werden.
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Als steuerbares Schaltelement dient zweckmäßig ein ein- oder mehrphasiger
Transduktor in einer in der Transduktorentechnik gebräuchlichen Schaltung.
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Das steuerbare Schaltelement kann abhängig von der -Maschinenspannung,
dem Leistungsfaktor und/ oder einer sonstigen Regel- oder Störgröße, z. B. der Antriebsdrehzahl,
gesteuert werden.
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Falls als steuerbares Schaltelement ein Transduktor verwendet wird,
kann dessen Arbeitsspannung die -Maschinenspannung oder eine der Maschinenspannung
proportionale Spannung oder auch eine an der Leerlauferregerdrossel abgegriffene
Spannung sein. Außerdem kann der Transduktor mit einer Fremdspannung beliebiger
Frequenz betrieben werden.
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Ferner ist es möglich, den Arbeitsstrom des Transduktors vor seiner
Gleichrichtung über eine Hilfstvicklung des den lastabhängigen Teil der Erregung
liefernden Stromtransformators zu führen.
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Die Zeichnung zeigt in Fig.2 ein beispielsweises Prinzipschaltbild
zur Erläuterung der Steuerung der Ventilwirkung des Erregergleichrichters. In den
Fig.3 und 4 sind Prinzipschaltbilder von Ausführungsbeispielen der Erregungsanordnung
nach der Erfindung dargestellt.
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In Fig.2, die eine grundsätzliche Anordnung der Steuerung der Ventilwirkung
eines Gleichrichters darstellt, wird sowohl der Verbraucher 12 (Polrad) als auch
der ihm parallel geschaltete Gleichrichter 13 von einem eingeprägten Gleichstrom
durchflossen. Solange der Gleichrichterstrom JG Null ist, ist der Verbraucherstrom
gleich l1. Ist jedoch die Sperrwirkung des Gleichrichters 13 dadurch aufgehoben,
daß durch ihn der eingeprägte Strom JG in der eingezeichneten Richtung geführt wird,
dann vermindert sich der eingeprägte Strom im Verbraucher um JG.
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Für den Fall, daß der Strom J1 durch Gleichrichtung eines eingeprägten
Wechselstromes erhalten wird, kann die erläuterte Funktion des Gleichrichters 13
von dem Gleichrichter für 1, mit übernommen werden, wie dies in den Anordnungen
nach den Fig. 3 und -1 verwirklicht ist.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 speist die Synchronmaschine
14 über das Erregergerät 15 und den Gleichrichter 16 die Erregerwicklung 17 ihres
Polrades.
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Der Transduktor 18 wird durch Regel- und/ oder Steuergrößen x beeinflußt,
die beispielsweise von der :lfaschinenspannung und/oder dem Leistungsfaktor abgeleitet
sein können.
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Der abhängige, von der Größe x gesteuerte Ausgangsstrom des Transduktors
18 wird von dem Gleichrichter 19 gleichgerichtet und über die Widerstände 20 und
21 dem Erregergleichrichter 16 zugeführt. Der Gleichrichter 16 hat hier neben der
Aufgabe, den vom Erregergerät 15 gelieferten eingeprägten Strom gleichzurichten,
noch dieselbe Funktion wie der Gleichrichter 13 der Fig. 2. Seine Ventilwirlzung
wird demnach von dem eingeprägten Gleichstrom des Gleichrichters 19 gesteuert.
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Die Widerstände 20 und 21 sollen verhindern, daß der vom Gleichrichter
16 gelieferte Strom anstatt über die Erregerwicklung 17 über den Gleichrichter 19
fließt und müssen deshalb groß gegenüber dem ohmschen Widerstand der Erregerwicklung
17 sein.
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Der Transduktor 18 kann ein- oder mehrphasig in einer der in der Transduktortechnik
gebräuchlichen Schaltungen verwendet werden. Da als Arbeitsspannung des Transduktors
18 auch eine beliebige Fremd-Spannung benutzbar ist, ist es im Hinblick auf die
dadurch mögliche Gewichts- und Materialersparnis vorteilhaft, mit einer Spannung
höherer Frequenz zu arbeiten.
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Ist die Arbeitsspannung des Transduktors 18 die Maschinenspannung
oder eine ihr proportionale Spannung oder auch eine an der Drossel 22 abgegriffene
Spannung, dann besteht die Möglichkeit, den Magnetverstärkerstrom nicht nur auf
der Gleichstromseite der Erregeranordnung einwirken zu lassen, sondern durch ihn
auch noch den dem Gleichrichter 16 zugeführten Wechselstrom im gleichen Sinne wie
den Gleichstrom zu beeinflussen. Mit einer solchen Anordnung, wie sie das Schaltbild
der Fig.4 zeigt, kann schon mit einem kleinen Transduktorstrom eine verhältnismäßig
große Beeinflussung des Erregergleichstromes erzielt werden.
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In Fig.4 wird der Ausgangsstrom des Transduktors 18, der an einer
Anzapfung der Drossel 22 liegt, ehe er dem Gleichrichter 19 zugeführt wird, so über
die UTicklung 24 des Stromtransformators 23 geführt, daß er in der Zweitwicklung
25 des Stromtransformators 23 einen Strom zur Folge hat, der den dem Gleichrichter
16 zugeführten Strom verkleinert.
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Der gleichgerichtete Ausgangsstrom des Transduktors 18 bewirkt dann
nach dem an Hand der Fig. 2 erläuterten und auch in Fig. 3 angewendeten Prinzip
noch eine weitere Verkleinerung des der Erregerwicklung 17 zugeführten Stromes.
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Die Erregungsanordnung nach der Erfindung kann auch dazu verwendet
werden, die Feldwicklung einer den Polraderregerstrom der Synchronmaschine liefernden
Erreger- oder Verstärkermaschine zu speisen.