DE724221C - Device for achieving constant terminal voltage of electrical power generators - Google Patents

Description

Einrichtung zur Erzielung gleichbleibender Klemmenspannung von elektrischen Stromerzeugern Die Änderung der Klemmenspannung von Gleich- und Wechselstromerzeugern infolge Last- und Drehzahlschwankungen bildet eine unerwünschte Eigenschaft dieser Maschinen. Es ist bekannt, zur Vermeidung dieser Nachteile selbsttätige- Spannungsregler und Feldregelwiderstände mit Flichkraftschaltern zu verwenden. SolcheRegeleinrichtungenmachen jedoch die Stromerzeugungsanlage verwickelt und erhöhen die Zahl der Fehlerquellen.Device for achieving constant terminal voltage of electrical Generators The change in the terminal voltage of direct and alternating current generators as a result of load and speed fluctuations forms an undesirable property of this Machinery. It is known to use automatic voltage regulators to avoid these disadvantages and field control resistors with Flichkraftswitches to be used. Make such control devices however, the power generation plant becomes entangled and increases the number of sources of error.

Es sind auch Konstantspannungsgeneratoren bekannt, beispielsweise zur Erzeugung einer konstanten Gleichstromspannung bei veränderlicher Antriebsdrehzahl oder zur Er-_ zeugung einer konstanten Wechselstromspannung bei veränderlichem Laststrom, bei denen die Spannung ohne besondere Regelgeräte konstant genalten wird. Diese bekannten Einrichtungen sind jedoch nicht allgemein ver= wendbar, da sie die Bedingung einer hinreichend konstanten Klemmenspannung bei allen Belastungsfällen nicht erfüllen. So ist u. a. eine Einrichtung zur Konsfanthaltung der Spannung von Gleichstrommaschinen vorgeschlagen worden, bei der eine der Nebenschlußerregung entgegenwirkende zusätzliche Erregerwicklung an die Maschinenspannun- angeschlossen ist. Diese zusätzliche Wicklung ist mit einer Batterie, aber entgegen ihrer Spannung, in Reihe geschaltet, wobei die Batteriespannung gegen die Maschinenspannung derart abgewägt ist, daB die Batterie, solange sich die Maschine In Betrieb befindet, stets geladen wird. Die Feldwicklung des Stromerzeugers ist also in zwei Wicklungen aufgeteilt, von denen die eine Wicklung in unmittelbarer Abhängigkeit von der Generatorspannung und die andere, die zusätzliche Wicklung, von der Differenz einer der Generatorspannung proportionalen Spannung und einer dieser Spannung entgegengerichteten zusätzlichen Fremdspannung erregt wird. Diese Einrichtung hat aber den Nachteil, daß die Durchflutungen der beiden Generatorwicklungen einander entgegenarbeiten, was bezüglich der Größe und Herstellungskosten derartiger Stromerzetigei nicht vorteilhaft ist. Außerdem wird eine Batterie benötigt, die bekanntlich an den Grenzen ihres Ladezustandes keine konstante Spannung abgeben kann.Constant voltage generators are also known, for example for generating a constant direct current voltage at a variable drive speed or to generate a constant AC voltage with a variable load current, where the voltage is kept constant without special control devices. These known facilities are not generally usable because they meet the condition do not meet a sufficiently constant terminal voltage for all load cases. So is i.a. a device for maintaining the voltage of DC machines has been proposed in which one of the shunt excitation counteracting additional Excitation winding is connected to the machine voltage. This extra winding is connected in series with a battery, but against its voltage, whereby the battery voltage is weighed against the machine voltage in such a way that the battery, as long as the machine is in operation, it is always charged. The field winding of the power generator is divided into two windings, one of which is winding in direct dependence on the generator voltage and the other, the additional Winding, from the difference in a voltage proportional to the generator voltage and an additional external voltage opposing this voltage is excited will. But this device has the disadvantage that the flooding of the two Generator windings work against each other, what in terms of size and Manufacturing costs such Stromerzetigei is not advantageous. A battery is also required which, as is well known, do not emit a constant voltage at the limits of their state of charge can.

Um nun diese Nachteile zu vermeiden und trotzdem eine konstant bleibende Gene ratorspannung zu erzielen, sollen gemäß der Erfindung die Durchflutungen der beiden Erregerwicklungen in demselben Sinne wirken, und außerdem soll die der Generatorspannung entgegengerichtete Fremdspannung von einer überkompoundierten, mit praktisch konstanter Drehzahl angetriebenen Erregermaschine geliefert werden, deren Klemmenspannung derart überhöht ist, daß der Spannungsabfall an der zusätzlichen Wicklung des Generators ausgeglichen wird. Die Erregermaschine muß also eine solche Überkompoundieru.ng erhalten, daß bei jeder Generatorbelastung ihr Spannungszuwachs gleich dem gesamten durch Widerstand und Gegenamperewindungen im Anker erzeugten Spannungsabfall an der zusätzlichen Wicklung ist.In order to avoid these disadvantages and still remain constant To achieve generator voltage, according to the invention, the flows through the both excitation windings act in the same sense, and also that of the generator voltage opposing external voltage from an overcompounded, with practically constant Speed driven exciter are supplied, the terminal voltage such it is excessive that the voltage drop across the additional winding of the generator is balanced. The exciter machine must have such an overcompounding get that with each generator load their voltage increase equal to the total voltage drop generated by resistance and counter amp windings in the armature the additional winding is.

Bei der Einrichtung nach der Erfindung ist es möglich, die Erregersätze für :eine einzige, relativ 'hohe Drehzahl zu normalisieren und dadurch eine verbilligte und vereinfachte Lagerhaltung zu erzielen. Ein weiterer Vorteil des Gegenstandes der Erfindung besteht darin, daß die Erregersätze für die mittleren und besonders für die niedrigen Generatordrehzahlen billiger ausfallen und die erfindungsgemäße Einrichtung besonders für selbstüberwachte Stromerzeugungsanlagen geeignet ist. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Konstanthaltung der Spannung von Wechselstromgeneratoren sind im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen nur Gleichrichter mit sehr kleiner Leistung erforderlich.In the device according to the invention, it is possible to use the excitation sets for: normalizing a single 'relatively' high speed and thereby a cheaper one and to achieve simplified warehousing. Another advantage of the item the invention is that the excitation sets for the middle and especially turn out cheaper for the low generator speeds and the inventive Device is particularly suitable for self-monitored power generation systems. When using the device according to the invention to keep the voltage constant of alternators are, in contrast to the known arrangements, only rectifiers with very little power required.

Die Erfindung ist in mehreren Ausführungsbeispielen veranschaulicht.The invention is illustrated in several exemplary embodiments.

Wie in Abb. i angegeben, ist die Klemmenspannung U4 eines mit dem Strom J belasteten gewöhnlichen Nebenschlußgenerators durch den Schnittpunkt D seiner Belastungskennlinie B (bei dem Laststrom J) mit der Geraden A0 bestimmt. Durch den Punkt A auf der Leerlaufkennlinie F ist die normale Leerlaufspannung gegeben.As indicated in Fig. I, the terminal voltage U4 is one with the Current J charged ordinary shunt generator through the intersection D of its Load characteristic curve B (with the load current J) determined with the straight line A0. Through the Point A on the no-load characteristic curve F is the normal no-load voltage.

Wird die Feldwicklung dieses Generators von einer fremden Stromquelle, beispielsweise einer Erregermaschine, mit unveränderlicher Klemmenspannung L'; erregt, so muß seine hl.eminenspannung L'4 bei demselben Laststrom J auf der gleichen Belastungskennlinie B, zugleich aber auf der Senkrechten durch A liegen, die als zweiter geoinetrischer Ort die Bedingung des konstanten Erregerstromes bzw. der konstanten Durchflutung 0C erfüllt. Der Schnittpunkt E der beiden geometrischen Orte B und AC bestimmt somit für den fremderregten Generator die Klemmenspannung U4, die im Verhältnis zu der Klemmenspannung einer Nebenschlußmaschine etwas größer ist. Bei den dem Diagramm gemäß Abb. i zugrunde gelegten Verhältnissen ist .die Spannungsänderung zwischen Belastung und Leerlauf gegenüber dem Nebenschlußgenerator von etwa 18'/" auf etwa io °/tr zurückgegangen.If the field winding of this generator is supplied by an external power source, for example an exciter, with an unchangeable terminal voltage L '; energized, then its halftone voltage L'4 must be on the same load curve B at the same load current J, but at the same time on the perpendicular through A, which, as the second geo-metric location, fulfills the condition of constant excitation current or constant flow 0C. The point of intersection E of the two geometric locations B and AC thus determines the terminal voltage U4 for the separately excited generator, which is somewhat greater in relation to the terminal voltage of a shunt machine. With the conditions on which the diagram according to Fig. 1 is based, the change in voltage between load and no-load operation compared to the shunt generator has decreased from about 18 '/ "to about 10 ° / tr.

Nach der Erfindung ist die Feldwicklung 3 eines Gleich- oder Wechselstromgenerators gemäß Abb. 2 in die Wicklungen i und 2 aufgeteilt und die Selbst- und Fremderregung in der Weise gekoppelt, daß die Wicklung i an der (bei Wechselstrom gleichgerichteten) Spannung L74 des Generators 4 und die Wicklung 2 an der aus der Spannung U4 und aus der Spannung US einer Erregermaschine sich zusammensetzenden Differenzspannung liegt.According to the invention, the field winding 3 is a DC or AC generator divided into windings i and 2 according to Fig. 2 and the self-excitation and external excitation coupled in such a way that the winding i is connected to the (rectified in the case of alternating current) Voltage L74 of the generator 4 and the winding 2 on the from the voltage U4 and The differential voltage made up of the voltage US of an exciter lies.

Wird die durch eine Kompoundwicklung konstant gehaltene Spannung U5 der Erregermaschine 5 gleich groß wie die Leerlaufspannung C-4 des Generators d. gewählt, so arbeitet letzterer bei Leerlauf vollkommen selbsterregt, da bei gleichen Spannungen U4 und U$ im Stromkreis der Erregermaschine 5 kein Strom fließt.If the voltage U5 the exciter 5 is the same as the open circuit voltage C-4 of the generator d. selected, the latter works completely self-excited when idling, since the same Voltages U4 and U $ in the circuit of the exciter 5 no current flows.

Wird jedoch der Generatord. belastet, so muß sich zwan.gläufig mit dem Sinken der Spannung an den Klemmen der bei Leerlauf stromlosen Wicklung 2 eine Spannungsdifferenz U@ = U5 - U4 einstellen, d. h. die Feldwicklung 2 liegt bei jeder Belastung an derjenigen Spannung U., die der Generatorkleminenspannung L'4 an der der konstanten Erregerspannung U5 gleich großen Leerlaufspannung fehlt.But becomes the generator. when the voltage drops at the terminals of winding 2, which is de-energized when idling, a voltage difference U @ = U5 - U4 must inevitably be established, i.e. with every load, field winding 2 is at the voltage U. that corresponds to the generator terminal voltage L. '4 at the no-load voltage equal to the constant excitation voltage U5 is missing.

Eine solche gekoppelte Erregung würde sich also in bezug auf die Spannungsänderung des Generators wie eine reine Fremderregung verhalten, da die Summe der in beiden Feldwicklungen i und 2 hervorgerufenen Durchflutungen genau so groß ist wie diejenige, die in denselben in Reihe geschalteten Wicklungen i und 2 durch eine fremde Spannung U5 erzeugt würde. Die beiden im Diagramm gemäß Abb. i bei dem fremderregten Stromerzeuger für die Bestimmung der Generatorklemmenspannung ermittelten geometrischen Orte B und die Senkrechte durch den Punkt A sind also auch bei dieser gekoppelten Erregung gültig. Hierbei ist jedochvorausgesetzt, daß das Windungsverhältnis tg a der beiden Feldwicklungen i und 2 gleich ist. Wird jedoch das Windungsverhältnis tg a2 der Feldwicklung z gegenüber dem Windungsverhältnis tg, a1 der Feldwicklung i kleiner gewählt, so muß bei einem durch Belastung hervorgerufenen Spannungsrückgang im Stromerzeuger bei der gleichen Spannungsdifferenz U5 - U4 in der Feldwicklung 2 eine größere Durchflutung erzeugt werden. Der zweite geometrische Ort verläuft dann nicht mehr senkrecht durch A, sondern zu der Senkrechten unter einem Winkel /3, der bestimmt ist durch Bei den gewählten Windungsverhältnissen ist ein weiterer Rückgang der Spannungsänderung von zo °/o auf 70/, eingetreten (Punkt H). Eine vollkommene Beseitigung der Spannungsänderung ist jedoch nicht möglich; :denn hierzu müßte der zweite geometrische Ort waagerecht durch den Punkt A verlaufen, d. h. ß= 9o° oder tg fl unendlich ,groß sein, was nur bei r.2=0 möglich wäre.Such a coupled excitation would behave like a pure external excitation with regard to the voltage change of the generator, since the sum of the fluxes caused in both field windings i and 2 is exactly as large as that which would be generated in the same series-connected windings i and 2 by an external voltage U5. The two geometrical locations B determined in the diagram according to Fig. I for the separately excited power generator for determining the generator terminal voltage and the perpendicular through point A are also valid for this coupled excitation. Here, however, it is assumed that the turns ratio tg a of the two field windings i and 2 is the same. If, however, the turns ratio tg a2 of the field winding z is selected to be smaller than the turns ratio tg, a1 of the field winding i, a greater flow rate must be generated in the field winding 2 in the event of a voltage drop in the power generator caused by load with the same voltage difference U5 - U4. The second geometric location then no longer runs perpendicularly through A, but at an angle / 3 to the perpendicular, which is determined by With the winding ratios chosen, there was a further decrease in the voltage change from zo ° / o to 70 /, (point H). However, a complete elimination of the voltage change is not possible; : because for this the second geometric location would have to run horizontally through point A, ie ß = 90 ° or tg fl infinitely large, which would only be possible with r.2 = 0.

Die Kopplung der Spannungen U4 und der konstanten Spannung U5 über den Widerstand r1 der Wicklung i hat zur Folge, daß bei albnehmender Spannung U4 eine Zunahme des Stromes und damit eine Zunahme des Kraftflusses des Generators erzwungen wird. Diese Zunahme ,kann dadurch gesteigert werden, daß gleichzeitig durch Verstärkung der Kompoundwicklung der Erregermaschine deren Klemmenspannung U5 erhöht wird. Die erfindungsgemäße Kopplung der Erregung weist also den Vorteil auf, daß sie zwangläufig mit dem Abfallen der Generatörspannung zugleich das Generatorfeld je nach der verwendeten überkompoundierung verstärkt. Wird nun der Grad der Gberkompoundierung so hoch gewählt, daß er bei jeder Generatorbelastung den gesamten durch Widerstand und Gegenamperewindungen im Anker erzeugten Spannungsabfall wieder ausgleicht, so bleibt die Generatorklemmenspannung konstant. Die gekoppelte Erregung muß daher so ausgelegt werden, daß der Spannungszuwachs -der kompoundierten Erregermaschine 5 über der Leerlaufspannung des Stromerzeugers 4 stets gleich dem Spannungsabfall i2 # r2 ist. Der zweite geometrische Ort zur Bestimmung der Generatorklemmenspannung isst also die Waagerechte .durch den Punkt A. Wird der Spannungszuwachs A U größer als der Spannungsabfall i2 # r2 .gewählt, so tritt eine Spannungsüberhöhung ein, wie sie in manchen Anlagen zum Ausgleich von Spannungsabfällen in der Speiseleitung erwünscht ist. Durch Wahl eines bestimmten Verhältnisses kann der Generatorklemmenspannung U4 ein bestimmter Verlauf vorgeschrieben werden. Die zur Gleichhaltung der Generatorklemmenspannung erforderliche Größe der Überkompoundierung ist von dem Windungsverhältnis t- der Feldwicklung?- abhängig. Durch Verringerung des Windungsvei'hältnisses gegenüber kann also die erforderliche Überkompoundierung und somit der Spannungszuwachs A U der überkompoundierten Erregermaschine beliebig verringert werden, wodurch bei der Auslegung der Maschinen ein weiter Spielraum gegeben ist.The coupling of the voltages U4 and the constant voltage U5 via the resistor r1 of the winding i results in an increase in the current as the voltage U4 decreases and thus an increase in the power flow of the generator is forced. This increase can be increased by increasing the terminal voltage U5 of the exciter machine by strengthening the compound winding. The coupling of the excitation according to the invention thus has the advantage that, with the drop in the generator voltage, it inevitably increases the generator field at the same time, depending on the overcompounding used. If the degree of Gber compounding is selected so high that it compensates for the entire voltage drop generated by resistance and counter amp windings in the armature with every generator load, the generator terminal voltage remains constant. The coupled excitation must therefore be designed in such a way that the voltage increase of the compounded excitation machine 5 over the open circuit voltage of the power generator 4 is always equal to the voltage drop i2 # r2. The second geometric location for determining the generator terminal voltage is the horizontal through point A. If the voltage increase AU is greater than the voltage drop i2 # r2., A voltage increase occurs, as is the case in some systems to compensate for voltage drops in the feed line is desirable. By choosing a certain ratio a certain curve can be specified for the generator terminal voltage U4. The size of the overcompounding required to keep the generator terminal voltage equal depends on the turns ratio t- the field winding? - dependent. By reducing the turns ratio opposite can that is, the required overcompounding and thus the voltage increase AU of the overcompounded exciter machine can be reduced as desired, which means that there is further leeway in the design of the machines.

-Die Nebensehlußwicklung 6 der Kompounderregermaschine 5 kann auch, wie in Abb. 3 dargestellt ist, an die konstante Spannung U4 gelegt werden. Eine derartige Anordnung mit Kompounderregermaschine ermöglicht eine sehr genaue Regelung. Die Regelung ist um so genauer, je kleiner die erforderliche Übenkompoundierung der Erregermaschine, d. h. je geringer das Windungsverhältnis der Feldwicklung 2 gewählt wird. Infolge .der entgegenwirkenden Charakteristik des Gleichrichters 12 ist bei Wechselstromgeneratoren die Regelung besonders genau.-The shunt winding 6 of the compound exciter 5 can also, as shown in Fig. 3, can be applied to the constant voltage U4. One Such an arrangement with a compound exciter enables very precise regulation. The regulation is the more precise, the smaller the required practice compounding the exciter, d. H. the lower the turns ratio of the field winding 2 is chosen. As a result of the opposing characteristics of the rectifier 12 the regulation is particularly precise in the case of alternators.

Die Fehlergrenzen der erfindungsgemäßen Regelung sind etwa die gleichen wie bei dein bekannten selbsttätigen Spannungsreglern.The error limits of the regulation according to the invention are approximately the same like your well-known automatic voltage regulator.

Statt einer Überkompoundierung durch den Strom i2 kann eine Gegenkompoundierung der Erregermaschine durch den vom Generator 4 gelieferten Erregerstrom i4 verwendet werden, da beide. Ströme i2 und i4 zusammen den konstanten Strom in der Feld-,vicklung 2 bilden. Eine Zunahme des Stromes i2 hat also eine gleich große Abnahme des Stromes i4 zur Folge. Eine derartige Einrichtung zeigt Abb. 4.Instead of an overcompounding by the stream i2, a countercompounding can be used the excitation machine is used by the excitation current i4 supplied by the generator 4 be as both. Currents i2 and i4 together form the constant current in the field winding 2 form. An increase in the current i2 therefore has an equal decrease in the current i4 result. Such a device is shown in Fig. 4.

Claims (1)

PATENTANSPRÜCHE: i. Einrichtung zur Erzielung gleichbleibender Klemmenspannung von elektrischen Stromerzeugern mit einer in Abhängigkeit von der Generatorspannung erregten Wicklung und einer zusätzlichen, von der Differenz einer der Generatorspannung proportionalen Spannung und einer dieser Spannung entgegengerichteten Fremdspannung erregten Wicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflutungen der beiden Erregerwicklungen (i, 2) des Generators (4.) in demselben Sinne wirken und daß die der Generatorspannung entgegengerichtete Fremdspannung von einer überkompoundierten, mit praktisch konstanter Drehzahl angetriebenen Erregermaschine (5) geliefert wird, deren Klemmenspannung derart überhöht ist, daß der Spannungsabfall an der zusätzlichen Wicklung (-a) bei jeder Belastung des Generators ausgeglichen wird. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch-gekennzeichnet, daß das Verhältnis des elektrischen Widerstandes zur Windungszahl der zusätzlichen Wicklung (2) der Generatotfeldwicklung (3) niedriger ist als dasselbe Verhältnis bei der an der Generatorspatmung liegenden Wickhmg (i). 3. Einrichtung nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenschlußwicklung (6) der Erregermaschine c 5 j von der konstanten Spannung, des Stromerzeugers (_I) gespeist wird (Abb.3). d.. Einrichtung nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompoundierung der Erregermaschine (5) entweder durch Aufkompoundierung mit Hilfe des durch die zusätzliche Generatorwicklung - (2) fließenden Stromes oder durch Gegenlompoundierung mit Hilfe des irn wesentlichen durch die Nebenschlußwicklung (i) des Generators (d.) fließenden Stromes erfolgt (Abb..l). PATENT CLAIMS: i. Device for achieving constant terminal voltage of electrical power generators with a winding excited as a function of the generator voltage and an additional winding excited by the difference between a voltage proportional to the generator voltage and an external voltage opposing this voltage, characterized in that the currents of the two excitation windings (i, 2) of the generator (4.) act in the same way and that the external voltage opposing the generator voltage is supplied by an overcompounded exciter (5) driven at practically constant speed, the terminal voltage of which is so excessive that the voltage drop on the additional winding (- a) is balanced each time the generator is loaded. Device according to claim i, characterized in that the ratio of the electrical resistance to the number of turns of the additional winding (2) of the generator dead field winding (3) is lower than the same ratio for the winding (i) on the generator ventilation. 3. Device according to claim i or 2, characterized in that the shunt winding (6) of the exciter c 5 j of the constant voltage of the power generator (_I) is fed (Fig.3). d .. Device according to claim i to 3, characterized in that the compounding of the excitation machine (5) either by compounding with the help of the current flowing through the additional generator winding - (2) or by counter compounding with the help of the essentially through the shunt winding (i ) of the generator (d.) flowing current takes place (Fig..l).