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Einrichtung zur Erregungsänderung von Wechselstromgeneratoren oder
Blindleistungsmaschinen Zu schnellen Erregungsänderungen, insbesondere zur Schnellentregung,
bei Wechselstromgeneratoren sind Erregerschaltungen bekanntgeworden, bei denen die
schnelle Anpassung der Erregerstromstärke an die Belastung durch Gleichrichterschaltungen
erfolgt. Zu diesem Zweck ist bei einer bekannten Schaltung ein Gleichrichter in
den Erregerkreis eines Generators eingeschaltet, der in Abhängigkeit vom Generatorstrom
die Generatorerregung bewirkt. Es läßt sich so bei Kurzschlüssen in dem an den Generator
angeschlossenen Netz eine wirksame Stoßerregung zur Stützung des Netzes durchführen.
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Die bekannten Schaltungen versagen jedoch in bestimmten Fällen, insbesondere
wenn plötzliche kapazitive Belastungen auftreten, beispielsweise beim Abwerfen großer
induktiver Belastungen am Ende langer Hochspannungsleitungen. Die Erregung muß in
solchen Fällen schnell auf einen unter der Leerlauferregung liegenden Wert herabgesetzt
werden. Das Versagen erklärt sich dadurch, daß bei stromabhängigen Erregerschaltungen
gerade im Augenblick der kapazitiven Belastung des Generators die dem Gleichrichter
zugeführte Wechselspannung stark herabgesetzt wird, so daß bei Umsteuerung des Gleichrichters
auf Wechselrichterbetrieb keine genügend große Gegenspannung im Erregerkreis erzeugt
werden kann. Dies ist um so nachteiliger, als stets der sogenannte Respektabstand
beim Wechselrichterbetrieb beachtet werden muß und also nur eine Teilaussteuerung
möglich ist.
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Die genannten Nachteile werden durch die Erfindung behoben. Sie besteht
in einer Einrichtung
zur Erregungsänderung von Wechselstromgeneratoren
und Blindleistungsmaschinen, bei denen die Erregung mittels eines Stromrichters
(Hauptstromrichter) durch Gleichrichtung des Generatorstromes erfolgt, vorzugsweise
zur schnellen Erregungsänderung, und ist dadurch gekennzeichnet, daß im Erregerkreis
ein weiterer, als Gleich- und Wechselrichter betreibbarerHilfsstromrichter, z.B.
in Reihenschaltung, vorgesehen ist, der, insbesondere über einen Transformator,
von der Generatorspannung oder einer fremden festen Wechselspannung gespeist wird
und mit einem ihn steuernden Regler versehen ist, der im Fall des Bedarfs einer
Erregungsänderung, z. B. bei plötzlichen kapazitiven Belastungsänderungen, in Abhängigkeit
von einer oder mehreren Betriebsgrößen, z. B. der konstant zu haltenden Generatorspannung,
derart zur Einwirkung gelangt, daß durch diese der Hilfsstromrichter die erforderliche
Erregungsänderung bewirkt. Der Hauptstromrichter kann bei der Einrichtung nach der
Erfindung in gewissen Fällen ein ungesteuerter Stromrichter sein, insbesondere auch
ein Trockengleichrichter.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sind in der Zeichnung mehrere
Ausführungsbeispiele in verschiedener Schaltung schematisch dargestellt. Die Erfindung
ist mit denselben Vorteilen in ein-oder mehrphasigen Schaltungen verwendbar. Es
zeigt Fig. i eine neue Einrichtung mit Reihenschaltung der Stromrichter, Fig. 2
mit Parallelschaltung, Fig. 3 eine ähnliche Schaltung wie Fig. 2, jedoch mit einem
weiteren Parallelstromrichter in Kreuzschaltung.
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Fig.4 eine Schaltung mit Kreuzschaltung von Haupt- und Hilfsstromrichter
und Fig.5 eine Schaltung mit drei Stromrichtern, von denen der eine den Strom des
Generators gleichrichtet, der zweite und dritte in Kreuzschaltung an der Generatorspannung
liegen.
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In Fig. i ist der Generator i ein dreiphasiger Synchrongenerator.
Seine Erregerwicklung 2 ist verbunden mit zwei in Reihe geschalteten Stromrichtern,
dem Hauptstromrichter 3 und dem Hilfsstromrichter 4., die über je einen Stromrichtertransformator
5 bzw. 6 gespeist werden. Der Hauptstromrichter 3 wird dabei über einen Stromtransformator
7 von dem Generatorstrom und einen weiteren Transformator 8 von der Generatorspannung,
also von der Vektorsumme von Generatorstrom und Generatorspannung belastungsabhängig
beeinflußt. Der Stromrichtertransformator 6 liegt dagegen nur an der Generatorspannung.
Mit 9 ist ein Regler bezeichnet, der ausgangsseitig am Gitter des Stromrichters
4 liegt und eingangsseitig über einen Wandler io ebenfalls an die Generatorspannung
angeschlossen ist.
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Im normalen Betrieb des Generators i, d. h. bei wenig schwankender
Last, deckt der Hauptstromrichter 3 fast den gesamten Bedarf der Erregung. Der Hilf
sstromrichter 4. ist dabei nur wenig ausgesteuert und liefert den restlichen Erregungsspannungsbeitrag.
Gleichzeitig erfolgt über den Regler 9 und den Hilfsstromrichter 4 die Konstanthaltung
der Generatorspannung. Im Fall des Bedarfs einer unnormalen schnellen Erregungsänderung
des Generators, für deren Notwendigkeit oben bereits ein Beispiel angeführt wurde,
wird nun der Hilfsstromrichter :4 derart ausgesteuert, daß durch einen zusätzlichen
Erregungsbeitrag die Generatorspannung konstant bleibt. Die Aussteuerung des Hilfsstromrichters
4 kann dabei im Wechselrichterbetrieb auch bei plötzlichen kapazitivenBelastungsänderungen
ohne Schwierigkeit ausreichende Gegenspannung erzeugen, da die Wechselspannung vor
dem Stromrichter im Gegensatz zu den bekannten Schaltungen dabei nicht herabgesetzt,
sondern eher vergrößert ist. Bei Speisung des Hilfsstromrichters 4. von einer fremden
Stromquelle liegt eine völligeUnabhängigkeit von demBetriebszustand des Generators
2 vor, so daß die Erzeugung einer Gegenspannung ebenfalls nicht eingeschränkt ist.
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Die in Fig.2 dargestellte Einrichtung unterscheidet sich von der nach
Fig. i durch eine Parallelschaltung von Haupt- und Hilfsstromrichter und dadurch,
daß der Hauptstromrichter 3 ebenfalls steuerbar ausgeführt ist. Die Einzelteile
mit ihren Bezugszeichen entsprechen denen der Fig. i. Der Regler 9 kann hier in
der Weise arbeiten, daß er, wie dargestellt, auf beide Stromrichter arbeitet. Es
kann jedoch wie in Fig. i, auch nur eine Einwirkung auf den Hilf sstromrichter 4
erfolgen, wobei der Hauptstromrichter 3 beständig voll ausgesteuert werden und sich
auf Grund der Änderung seiner Wechselspannung selbsttätig dem erforderlichen Erregungsbedarf
anpassen kann. Im Fall einer Steuereinwirkung bei beiden Stromrichtern kann bei
plötzlicher kapazitiver Belastungsänderung der Regler 9 derart einwirken, daß zunächst
der Hauptstromrichter durch ein Steuergitter gesperrt wird. Der Erregerstrom fließt
dann allein durch den Stromrichter 4, und dieser wird nun auf Wechselrichterbetrieb
mit höchster Gegenspannung umgesteuert. Würde der Hauptstromrichter 3 nicht vorher
gesperrt, so könnte sich der Erregerstrom über ihn schließen und ein nachträgliches
Sperr en wäre nicht ohne weiteres möglich.
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In Fig. 3 ist bis auf den zusätzlichen Hilfsstromrichter .a.' und
den Stromrichtertransformator 6' dieselbe Einrichtung mit denselben Teilen und Bezugszeichen
wie in Fig. 2 dargestellt. Der Hilfsstromrichter 4.' speist die Generatorerregung
in umgekehrter Richtung wie der Hilfsstromrichter 4. Es soll hierdurch nicht nur
eine Gegenspannung entgegen der des Hauptstromrichters erzielt werden, sondern es
soll auch eine Gegenerregung des Generators ermöglicht werden, also ein Erregerstrom
umgekehrter Richtung. Dies ist notwendig, wenn der Generator i auf ein Netz zwecks
Abgabe untererregter Blindleistung arbeitet. Die Steuerung kann in bezug auf Hauptstromrichter
3 und Hilfsstromrichter 4. in der gleichen Weise erfolgen, wie bei der Einrichtung
nach Fig.2; hinsichtlich des Hilfsstromrichters 4' so, daß bei Erreichung des
Erregerstromes
Null in der Erregerwicklung 2 der Regler g den Hilfsstromrichter 4 sperrt und der
Stromrichter q.' derart gesteuert wird, daß er im Gleichrichterbetrieb etwa die
gleiche Spannung abgibt, wie sie vorher der Hilfsstromrichter 4. im Wechselrichterbetrieb
erzeugte. Es beginnt dann ein Erregerstrom umgekehrter Richtung durch die Erregerwicklung
:2 zu fließen, dessen Höhe durch den Regler 9 auf den für jeden Betriebszustand
erforderlichen Wert eingeregelt wird.
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In Fig. 4 ist der Hilfsstromrichter 4' in Kreuzschaltung zum Hauptstromrichter
3 angeordnet. Bei dieser Einrichtung kann ebenfalls eine Gegenerregung des Generators
i erreicht werden. Zu diesem Zweck kann der Hauptstromrichter zum selbsttätigen
Abschalten eingerichtet sein, das erfolgt, sobald die Spannung des Hilfsstromrichters
4' im Wechselrichterbetrieb die Spannung des Hauptstromrichters 3 erreicht hat.
Ein besonderer zweiter Regler ist mit 9' bezeichnet.
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In Fig. 5 ist zur Hilfserregung ähnlich wie in Fig. 3 eine Kreuzschaltung
von zwei gesteuerten Hilfsstromrichtern 4 und 4' vorgesehen, wobei der Hauptstromrichter
3 jedoch vom Generatorstrom allein gespeist wird, im Gegensatz zu den Fig. i bis
4., wo dem Hauptstromrichter die Vektorsumme von Generatorstrom und Generatorspannung
zugeführt wird.
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Bei den verschiedenen möglichen Betriebszuständen des Generators i
bzw. des angeschlossenen Netzes können die Stromrichter folgendermaßen betrieben
werden.
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a) Normalbetrieb. Die Gleichrichter 3 und 4 teilen sich in die Erzeugung
des Erregerstromes, wobei mittels des Hilfsstromrichters 4 die Regelung des Generators
i erfolgt. Der Hauptstromrichter 3 braucht keinen Gittersteuersatz, sondern lediglich
Steuergitter zum Sperren zu besitzen. Die beiden Stromrichter 3 und 4 brauchen jeder
nur für etwa die halbe Erregerleistung bemessen zu sein. Der Hilfsstromrichter 4'
ist nach dem Erregerbedarf bei Gegenerregung auszulegen, kann also noch kleiner
gewählt werden.
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b) Leerlauf. Der Hauptstromrichter 3 erhält keine Wechselspannung,
da der Generatorstrom Null ist. Der Hilf sstromrichter 4 gibt die für Leerlauf notwendige
Erregerleistung. Dabei sperrt der Hauptstromrichter 3 infolge seiner Ventileigenschaft,
während der Hilfsstromrichter 4' vom Regler 9 aus durch die Steuergitter gesperrt
wird.
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c) Vollast. Der Hauptstromrichter 3 gibt einen dem Generatorstrom
entsprechenden Erregerstromanteil ab, wobei sich die der Erregerspannung entsprechende
Wechselspannung vor den Stromrichtern von selbst einstellt. Der Hilf sstromrichter
4 wird je nach der Phasenlage des Generatorstromes durch den Regler 9 mehr oder
weniger ausgesteuert. Der Hilf sstromrichter q.' wird durch den Regler 9 gesperrt.
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d) Kurzschluß im Drehstromnetz. Die Generatorspannung bricht zusammen,
infolgedessen ist der Hilf sstromrichter 4 trotz voller Aussteuerung nicht in der
Lage, die für einen stabilen Parallelbetrieb mehrerer Generatoren notwendige Stoßerregung
vorzunehmen. Diese wird durch den Hauptstromrichter 3 bewirkt, während der Hilfsstromrichter
4 infolge seiner Ventilwirkung sperrt und der Hilfsstromrichter q.' über die Gitter
durch den Regler 9 gesperrt wird.
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e) Kapazitive Belastung. Der Hauptstromrichter 3 gibt entsprechend
dem Generatorstrom einen bestimmten Erregerstrom ab, der aber bei kapazitiver Belastung
zu groß ist. Infolgedessen wird durch den Regler der Hilfsstromrichter 4 gesperrt
und der Hilfsstromrichter 4' als Wechselrichter ausgesteuert, der von dem Strom
des Hauptstromrichters 3 so viel Strom wieder in das Generatornetz zurückführt,
daß als Rest gerade der richtige Erregerstrom übrigbleibt.
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f) Schnellentregung. Der Hauptstromrichter 3 wird durch den Regler
9 gesperrt, der Hilfsstromrichter 4 wird als Wechselrichter ausgesteuert und der
Hilfsstromrichter 4' sperrt.
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g) Gegenerregung bei Betrieb als untererregte Blindleistungsmaschine.
Hauptstromrichter 3 und Hilfsstromrichter 4 werden durch den Regler 9 gesperrt,
und der Hilfsstromrichter .4' wird durch den Regler 9 als Gleichrichter betrieben
und auf den bestimmten Betriebswert geregelt.
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Die Sperrung oder Steuerung des Hauptstromrichters 3 in den Fig. i
bis 5 wird erleichtert, wenn der Stromtransformator 7 und der Transformator 8 auf
ihrer Sekundärseite keine beliebig hohe Spannung abgeben können, sondern in ihrer
Spannungshöhe begrenzt sind. Diese Transformatoren werden daher zweckmäßig so bemessen,
daß sie oberhalb einer bestimmten Bürde die Eigenschaften eines Stromwandlers verlieren
und dann praktisch eine konstante Spannung abgeben. Es ist also zweckmäßig, für
die Kerne einen ferromagnetischen Werkstoff zu verwenden, der einen ausgeprägten
Magnetisierungsknick besitzt.
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Da bei der Erregung großer Generatoren Rückzündungen der Erregergleichrichter
große Störungen zur Folge hätten, kann eine weitere Verbesserung durch Einschaltung
von an sich bekannten Stufendrosseln in die Anodenkreise von Haupt- und Hilfsstromrichtern
erreicht werden. Die Stufendrosseln erzeugen beim Betrieb mit Wechselstrom, jeweils
wenn der Drosselstrom auf Null zustrebt, stromschwache Pausen, die durch Entsättigung
des Eisens der Stufendrossel entstehen und so lange andauern, bis der Strom in der
entgegengesetzten Richtung die Ummagnetisierung beendet hat und wieder Sättigung
eintritt. Diese Strompausen können bei der Einrichtung nach der Erfindung ausgenutzt
werden zur Schaffung von Entionisierungspausen. Die Stufendrosseln nehmen dabei
kurz vor oder im Nulldurchgang des Anodenstromes, zweckmäßig dann, wenn es am günstigsten
ist, die Sperrspannung kurzzeitig auf. Die so entstehende Pause reicht für eine
Entionisierung des erloschenen Stromrichters aus.
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Im folgenden sei noch kurz ein Beispiel für einen an sich bekannten,
in den Fig. i bis 4 schematisch angedeuteten und mit 9 bezeichneten Regler erläutert,
wie
er für die Einrichtung nach der Erfindung brauchbar ist. Es sei angenommen, daß
die Generatorspannung geregelt werden soll. Hierzu wird diese in dem Regler zunächst
mit einer konstanten Sollspannung als Vergleichsnormal verglichen, mit der sie eine
Differenzspannung ergibt, die als Steuergröße für die Regelung verwendet wird. "Zach
entsprechender Verstärkung, z. B. mittels eines Magnetverstärkers, wirkt die Steuergröße
auf die Vormagnetisierungswicklung einer Drosselspule ein, die in einer Phasenbrücke
liegt. Am Ausgang der Phasenbrücke ergibt sich entsprechend der benötigten Aussteuerung
des die Erregung bewirkenden Stromrichters eine Steuerspannung bestimmter Phasenlage,
die auf das Steuerorgan des Stromrichters einwirkt und den Aussteuerwinkel des Stromrichters
von Gleich- mit Wechselrichterbetrieb verändern kann. Zweckmäßig werden noch Rückführungs-
und Kompoundierungsgrößen zur Einwirkung auf den Stromrichter vorgesehen. Die Erfindung
ist jedochnicht auf die Anwendung dieser v orbeschriebenen Regeleinrichtungen beschränkt.
Es läßt sich vielmehr jede andere, denselben Zweck erfüllende Regeleinrichtung verwenden.
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Die an Hand der Ausführungsbeispiele beschriebene Art der Einwirkung
der Stromrichter mit den dazugehörigen Regeleinrichtungen auf die Generatorerregung
ist ebenfalls für die Erfindung nicht maßgeblich kennzeichnend. Es kann z. B. in
dem Ausführungsbeispiel nach Fig. z als Hauptstromrichter 3 auch ein steuerbarer
Stromrichter vorgesehen sein, der ebenfalls von einer Regeleinrichtung gesteuert
wird. Es können ferner an Stelle der dargestellten gittergesteuerten Stromrichter
andere auf beliebige Weise steuerbare Stromrichter, z. B. solche mit Zündstiftstäubung,
verwendet werden, außerdem mechanisch steuerbare Stromrichter, z. B. nach Art der
Kontaktumformer. Die zu regelnde Betriebsgröße des Generators kann beliebig sein.
Außer der Generatorspannung kann z. B. auch der Strom oder der Leistungsfaktor durch
Erregungsänderung geregelt werden. Der Regler 9 arbeitet dabei mit einer entsprechenden
Sollgröße als Vergleichsnormal.