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Anordnung zur Spannungsregelung von Synchronmaschinen Eine seit langem
bekannte Art der Spannungsregelung erfolgt mit Erregermaschine und Schnellregler.
Die Schnellregler müssen hierbei einen sehr großen Regelbereich bestreichen, da
sie den vollen Unterschied zwischen Leerlauferregerstrom und Volllast- bzw. Überlasterregerstrom
beherrschen müssen. Der Regelbereich wird noch größer, wenn die Haupterregermaschine
mit Rücksicht auf schnellere Erregung fremd erregt wird. Die Ausführbarkeit setzt
dann für die Verwendung von Schnellreglern der üblichen Bauart, Wälzregler, Kohledruckregler
usw., eine vorzeitige Grenze. Andererseits sind in den letzten Jahren Schaltungen
entwickelt worden, die eine selbsttätige, ziemlich vollkommene Anpassung des Erregerstromes
an die wechselnde Belastung ermöglichen, z.B. mit Gleichrichterstromschaltung. Sie
erfordern lediglich in manchen Fällen eine Feinregelung der Spannung. Die vorliegende
Erfindung zeigt nun eine besonders zweckmäßige Vereinigung der Vorteile beider Schaltungen,
die unter Beibehaltung der Erregermaschine genaue Ausregelung der Spannung durch
den Regler bei kleinsten Abmessungen des Reglers ermöglicht.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Erregung der Synchronmaschine durch eine
Parallelschaltung von Erregermaschine und Gleichrichter. Die Erregermaschine, die
schwach gesättigt sein kann, arbeitet mit Nebenschlußerregung. Im Nebenschlußkreis
befindet sich der Schnellregler. Der Gleichrichter wird von der Wechselstromseite
mit einem lastunabhängigen
und einem lastabhängigen Strom in Stromschaltung
gespeist. Man kann nun die Gesamterregerleistung der Synchronmaschine beliebig auf
Gleichrichter und Erregermaschine aufteilen. Weist man den Hauptteil dem Gleichrichter
zu, so wird die Erregermaschine nur für die kleinen Zu- und Absatz-Leistungen, entsprechend
der gewünschten Spannungsgenauigkeit, bemessen. Liefert die Erregermaschine den
Hauptteil, so wird der Gleichrichter und sein Zubehör klein. In beiden Fällen bestimmt
aber der Schnellregler die Spannungsgenauigkeit und läßt die Erregermaschine bald
im selbsterregten Gebiet arbeiten, z. B. bei starken Lasteinbrüchen, bald im selbsterregungsfreien
Gebiet. Die fehlende Erregung wird dann durch den Gleichrichter geliefert, sie sichert
die Stabilität der Erregermaschine in ausgeregeltem Zustand.
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Einige Ausführungsbeispiele lassen den Erfindungsgedanken besser erkennen.
In Fig. I bedeutet I eine Synchronmaschine, die durch die Erregermaschine 2 erregt
wird. Die Erregerwicklung der Erregermaschine liegt im Nebenschluß zu den Ankerklemmen,
in Reihe zur Erregerwicklung liegt der Schnellregler 3, der in üblicher Weise von
der Spannung betätigt wird. Parallel zur Erregerwicklung der Erregermaschine liegt
noch der Gleichrichter 4 (im Beispiel als Trockengleichrichter in Graetzschaltung
dargestellt), der in bekannter Weise über die Drosselspule 5 und den Stromwandler
6 mit einem lastunabhängigen und über den Stromwandler 7 mit einem lastabhängigen
Strom gespeist wird. Um ein Abfließen des Gleichrichterstromes nach dem Ankerkreis
der Erregermaschine zu verhindern, kann eine Sperrzelle 8 vorgesehen werden. Sie
ist nicht unbedingt nötig, weil gewöhnlich der Restwiderstand des Reglers genügt,
um das Abfließen zu verhindern. Zum gleichen Zweck können natürlich statt der einen
Erregerwicklung deren zwei auf der Erregermaschine vorgesehen werden, von denen
die eine lediglich vom Gleichrichterstrom gespeist wird, wie in Fig. 2 angedeutet
ist.
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An Hand einiger Formelausdrücke und Erregerkennlinien läßt sich die
Wirkungsweise der Schaltung noch besser übersehen. In Fig. 3 bedeutet die Linie
U = k1 ₧ Je die Leerlaufkennlinie der Synchronmaschine, die Linie U = k3
₧ Je die Kennlinie des Erregerkreises, die mit der erstgenannten einen stabilen
Schnittpunkt ergibt. Die Kennlinien UB = k1 ₧(Je - jeB) und UB = k3 ₧
(Je - JeBv) bedeuten die gleichen Kennlinien bei Belastung z. B. mit dem Vollaststrom.
Der Erregerstrom für die Maschinenkennlinie UB = k1₧(Je-JeB) bei Belastung
setzt sich folgendermaßen zusammen
Hierin bedeutet JeBF den Anteil des lastabhängigen Erregerstromanteiles für Feldbildung
zur Erzeugung der Spannung für den induktiven Spannungsabfall, JeBR den Anteil für
Ankerrückwirkung, den Anteil, der der Klemmenspannung UB bei
Belastung entspricht, kl ist ein Verhältniswert bzw. der Drehwiderstand. Der lastabhängige
Erregerstromanteil setzt sich dann zusammen aus: JeB= JeBF + JeBR
daraus Ib. UB= kl(Je-JeB).
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Entsprechend erhält man für den Erregerkreis
JeBFv ist der Erregerstromanteil für den induktiven Spannungsabfall bei voller Spannung
und vollem Strom.
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JeBv = JeBFv + JeBR
2b. UB = k3 ₧ (Je-JeBv) k3 ist der entsprechende Verhältniswert (Widerstand)
für den Erregerkreis. Für den Erregerstrom Je kann man setzen
ea = erzeugte Spannung der Erregermaschine ie = Gesamterregerstrom der Erregermaschine
k = Drehwiderstand Re = Ohmscher Widerstand der Erregerwicklung der Synchronmaschine.
4₧ ie = ie1 + ie2 iel = Erregerstrom vom Gleichrichter geliefert ie2 = Erregerstrom
von der Erregermaschine geliefert. 5₧ ie1 = üa ₧ Jd + üb ₧
J1 = ie1a + ie1b J = Strom der Drosselspule 6 üa und üb = Strom der Synchronmaschine
zela= lastunabhängiger Anteil im CTleichrichterstrom ielb= lastabhängiger Anteil
im Gleichrichterstrom
| Gesamtwiderstand im NebenschluBer- |
| regerkreis einschließlich Schnellregler. |
Der Ausdruck 8a läßt erkennen, daß der Erregerstrom Je stets dem Gleichrichterstrom
ie1 verhältnisgleich ist, d. h. sich selbsttätig mit der Belastung ändert und durch
kleine Änderungen des Reglers 3 in weiten Grenzen leicht zusätzlich geregelt werden
kann. Die Änderungen des Regelwiderstandes sind um so kleiner, je größer der Anteil
des Erregerstromes ie2 am Gesamterregerstrom ie1 ist.
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Für den lastabhängigen Anteil kann man setzen:
Macht man die Erregermaschine ungesättigt, so ist der Drehwiderstand k2 eine Konstante,
desgleichen sind es xd, üa und Re, so daß k3 nur vom Widerstand abhängt. Der Wert
von k3 bestimmt die Steigung der Kennlinie UB = k3 ₧ (Je-JeBv) ₧ k3
wird Null für ge2 = k2. Die Erregermaschine arbeitet dann im Selbsterregungsbereich
mit Überschußerregung, die Kennlinie des Erregerkreises fällt dann in die Abszissenachse,
und die Synchronmaschine kommt äußerst schnell auf den Sollwert ihrer Spannung.
Der Regler regelt dann den Erregerkreis wieder so ein, daß seine Kennlinie zu einem
stabilen Schnittpunkt mit der Maschinenkennlinie gebracht wird. Um die Erregermaschine
von dem selbsterregungsfreien in den Selbsterregungsbereich zu bringen, genügen
kleine Änderungen des Widerstandes ge2 wie Fig. 4 erkennen läßt. Der Gesamterregerstrom
ie ist hierbei so aufgeteilt, daß der größere Teil ie2 vom Nebenschlußkreis geliefert
wird und der kleinere Teil ie1 vom Gleichrichter. Die Widerstandsgerade ie2 ₧
gγ2 fällt etwas außerhalb der Maschinentrennlinie ea = k2 ₧ ie. Dagegen
gibt die Kennlinie des Gesamterregerkreises ge2 (ie - ie1) einen stabilen Schnittpunkt
mit der Maschinenkennlinie. Durch geringe Änderung des Widerstandes ge2 fallen beide
Kennlinien ie2 γ ge2 und Widerstandes ge2 fallen beide Kennlinien ie2 ₧
ge2 und (ie - ie1) ₧ ge2 in den Selbsterregungsbereich, und die Maschine
kommt mit Überschußerregung sehr rasch auf Spannung, bis sie durch den wieder auf
einen stabilen Arbeitspunkt gebracht wird. Es ist daher ohne weiteres möglich, mit
einer völlig ungesättigten Erregermaschine zu arbeiten und die damit gegebenen Möglichkeiten
zur Steigerung der Erregerspannung auszunutzen, ohne auf den Vorteil stabiler Regelung
verzichten zu müssen. Der Regler arbeitet im Nebenschlußkreis unter günstigsten
Bedingungen (Spannung und Strom in seinem Stromkreis nahezu verhältnisgleich). Die
Zusatzgeräte (Gleichrichter mit Zubehör) werden ebenfalls klein, da der Gleichrichter
nur einen Teil der Erregerleistung der Erregermaschine zu liefern braucht. Eine
Verbesserung der Erregung bei bestehenden Anlagen läßt sich leicht durch nachträglichen
Einbau des Gleichrichters mit Zubehör ermöglichen.
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Es ist an sich beliebig, wie man die Gesamterregerleistung der Synchronmaschine
auf Gleichrichter und Erregermaschine aufteilt. Man kann dies auch in der Weise
vornehmen, daß der Gleichrichter den Hauptanteil liefert und die Erregermaschine
den für die Feinregelung benötigten Strom aufnimmt oder abgibt. Sie wird dadurch
äußerst klein. Damit sie auch bei generatorischem Arbeiten stabil geregelt werden
kann, muß sie ähnlich wie in Fig. I oder 2 gemischt erregt werden. In Fig.5 ist
dies angedeutet. Sofern die Bezugszeichen dieselben sind, haben sie die gleiche
Bedeutung wie in den vorhergehenden Figuren. Zweckmäßig führt man den Gleichrichterstrom
über die fremderregte Erregerwicklung 9 der Erregermaschine 2. Dieser Strom wirkt
in der Erregermaschine als vom Nebenschlußkreis unabhängiger Erregerstromanteil
ie1 (Fig. 4) und sichert stabiles Arbeiten auch bei generatorischem Arbeiten der
Erregermaschine. Kleine Änderungen des Reglers 3 bewirken bald motorisches, bald
generatorisches Arbeiten der Erregermaschine, und damit verkleinert oder vergrößert
sie den vom Gleichrichter an die Schleifringe gelieferten Strom. Statt der unmittelbaren
Reihenschaltung der fremderregten Erregerwicklung g mit dem Gleichrichter q. kann
auch eine mittelbare verwendet werden. Die Erregerwicklung 9 wird hierbei über einen
besonderen Gleichrichter mit einem eigenen Umspanner gespeist, der erstseitig in
Reihe mit der Wechselstromzuleitung des Hauptgleichrichters liegt. Es ist auch möglich,
mit nur einer Erregerwicklung an der Erregermaschine auszukommen, wenn man dafür
sorgt, daB der Spannungsabfall im Erregerkreis der Erregermaschine stets größer
bleibt als die Ankerspannung. Diese Schaltung ist in Fig. 6 dargestellt. Der Gleichrichter
q., der als Entladungsgefäß dargestellt ist, liefert den Hauptteil der Erregerleistung.
Sein Strom Ja entspricht nahezu dem Erregerstrom Je. Der Erregerstrom ie
ist klein gegenüber Ja. Der Reststrom Jo durchfließt den Widerstand g, und
der hier verursachte Spannungsabfall macht die Spannung am Erregerkreis, der den
Strom i8 führt, größer als die Spannung 8a am Anker. Wenn die Erregermaschine nur
Strom aufnimmt, den vom Gleichrichter an die Schleifringe gelieferten Strom also
nur verkleinert, und nur motorisch arbeitet, kann der Widerstand zo auch entbehrt
werden. Man kann die Schaltung dann auch in der Weise betreiben, daB ein großer
Teil der
vom Gleichrichter gelieferten Leistung von der Erregermaschine
motorisch verarbeitet wird, so daß die Erregerschleifringe nur den Unterschied beider
Leistungen erhalten. Bei Spannungszusammenbrüchen bewirkt dann eine kleine Änderung
des Reglers 3 eine Umkehr der Wirkungsweise der Erregermaschine; sie gibt dann ihre
Leistung generatorisch zusammen mit dem Gleichrichter auf die Schleifringe, so daß
eine große Überregung zustande kommt. Wenn hierbei die Erregermaschine durch Verminderung
des Widerstandes 3 in den Selbsterregungsbereich kommt, so ist das nur erwünscht,
weil dadurch die Ausregelung des Laststoßes stark beschleunigt wird. Die Erregermaschine
kann hierbei auch fremd angetrieben werden, z. B. durch einen Asynchronmotor parallel
zum Netz. Ein Ausfall dieses Motors bei Spannungszusammenbrüchen ist hier nicht
weiter nachteilig, weil der Gleichrichter die ungeregelte Erregung weiter liefert.
Die Erregermaschine 2 würde leer mitlaufen und bei Wiederkehr der Spannung über
ihren Antriebsmotor die Zusatzregelung wieder übernehmen. Fig. 7 zeigt eine Abänderung
dieser Schaltung, bei der die Erregerwicklung der Haupterregermaschine II in der
vorgeschriebenen Weise gespeist wird. Die Erregermaschine 2 mit Gleichrichter 4
und Zubehör wird dadurch sehr klein, desgleichen der Regler 3. Im Normalbetrieb
verarbeitet die Erregermaschine einen Teil der Gleichrichterleistung motorisch,
beim Belastungsstoß verstärkt sie dagegen als Generator die Gleichrichterleistung
und bewirkt eine starke Übererregung der Haupterregermaschine.
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Die Schaltungen nach vorliegender Erfindung ermöglichen es, bis zu
den größten Erregerleistungen mit kleinsten Reglern auszukommen, ohne dafür einen
Verlust an Erregungsgeschwindigkeit in Kauf nehmen zu müssen. Im Gegenteil sichert
die vom Gleichrichter gelieferte lastabhängige Erregung in Verbindung mit der Verschiebung
der Arbeitsweise der Erregermaschine in dem Selbsterregungsbereich eine besonders
hohe Erregungsgeschwindigkeit. Nach erfolgter Ausregelung arbeitet die Erregermaschine
stets stabil. Da mit einem kleinen Regelbereich des Reglers ein sehr großer Regelbereich
des Erregerstromes der Synchronmaschine beherrscht werden kann, wird das bisher
beschränkte Anwendungsgebiet der Schnellregler, Kohledruckregler usw. ungemein erweitert.
Als besonders günstig kommt hinzu, daß die bisherige Bauart des Reglers beibehalten
werden kann. Bei Laststößen wird der Regelwiderstand ebenfalls verkleinert und dadurch
eine Verstärkung des Feldes der Erregermaschine bewirkt, die zur Spannungssteigerung
und zum Anwachsen des Erregerstromes der Synchronmaschine führt. Als vorteilhaft
ist weiter zu erwähnen, daß die altbekannte Erregung der Synchronmaschine mittels
Erregermaschine im wesentlichen beibehalten und die Verbesserung lediglich durch
kleine Zusatzgeräte zu erzielen ist, so daß sie noch nachträglich an vorhandenen
Anlagen angebracht werden können. Ein Betrieb auch ohne die Zusatzeinrichtung läßt
sich dann leicht durchführen.