-
.Anordnung zur Erzeugung einer konstanten Spannung bei veränderlicher
Drehzahl des Generators In der Elektrotechnik wird vielfach eine konstante Spannung
(vornehmlich eine Gleichspannung) benötigt, zu deren Erzeugung jedoch nur eine Maschine
zur Verfügung steht, deren Drehzahl in weiten Grenzen schwankt. Man kann sich in
solchen Fällen dadurch helfen, daß man die Spannung durch einen auf die Erregung
des Generators einwirkenden Regler konstant hält. An diesen Regler werden aber sehr
große Anforderungen gestellt, so daß entweder seine Leistungsgrenze überschritten
wird oder der Regler unwirtschaftlich groß ausfällt. Außerdem leidet die Regelgenauigkeit.
Erwünscht ist in solchen Fällen eine Anordnung, die schon von sich aus auf Grund
ihrer Wirkungsweise die Spannung auf einem ganz oder nahezu gleichbleibenden Wert
hält, so daß ein gegebenenfalls noch erforderlicher Regler nur noch Feinheiten auszuregeln
hat. Diese Bedingung wird durch die Anordnung der Erfindung, die sich ebenfalls
auf die Erzeugung einer konstanten Spannung bei veränderlicher Drehzahl des Generators
bezieht, erfüllt. Erfindungsgemäß dient als Generator eine mindestens annähernd
konstant erregte Synchronmaschine, die infolge kleinen Luftspaltes und großen Strombelages
ein kleines Kurzschlußverhältnis aufweist. Ferner ist der Strom dieser Synchronmaschine
einem aus Drosselspule und Kondensator bestehenden Konstantstromkreis auf der Stromseite
zugeführt, dessen Spannungsseite die konstante Spannung entnommen wird.
-
Fig. z der Zeichnung zeigt das Prinzipschaltbild der neuen Anordnung.
z ist der mit veränderlicher Drehzahl angetriebene Synchrongenerator. Bei kleinem
Luftspalt und großem Strombelag, d. h. bei kleinem Kurzschlußverhältnis entspricht
der Ständerstrom Ja
auch bei veränderlicher Spannung bzw. bei veränderlicher
Drehzahl weitgehend dem Läuferstrom J3. Sofern der äußere Scheinwiderstand des an
die Ständerwicklung des Synchrongenerators angeschlossenen Verbrauchers klein ist
gegenüber der Größe X1 (Eigenblindwiderstand der Ständerwicklung), was bei einem
kleinen Kurzschlußverhältnis zutrifft, so gilt die Beziehung
Darin bedeutet XA den Hauptfeldblindwiderstand des Synchrongenerators, während J3
seinen Erregerstrom darstellt. Der Ständerstrom ist also unabhängig von der Spannung
und der Drehzahl nur durch den Läuferstrom bestimmt. Man kann also eine derartig
bemessene Synchronmaschine als Konstantstromquelle bei veränderlicher Frequenz verwenden.
Der Ständerstrom wird nun einem Konstantstromkreis bekannter Art zugeleitet, der
aus der Drosselspule 2, dem Kondensator 3 und dem Umspanner 4 besteht. Die Erstwicklung
des Umspanners 4 wird unmittelbar vom Strom 1Z durchflossen. Die Zweitwicklung besitzt
einen Sternpunkt in der Mitte, und die auf diese Weise entstehenden beiden Hälften
werden einerseits vom Drosselstrom, andererseits vom Kondensatorstrom durchflossen.
Beide liegen parallel am Netz 5, von dem die Verbraucher 6 gespeist werden. Wird
den Verbrauchern Wirklast zugeführt, so läßt sich nachweisen, daß die den Verbrauchern
zugeführte Spannung U, nur von dem Strom J2 in der Ständerwicklung des Synchrongenerators
bzw. wie oben angegeben von dem Erregerstrom J3 des Synchrongenerators abhängig
ist, dagegen von der Frequenz bzw. der Drehzahl des Generators i ganz oder nahezu
unbeeinflußt bleibt. Ebenso ist diese Spannung weitgehend von der Größe des den
Verbrauchern zugeführten Wirkstromes unabhängig. Zunächst läßt sich zeigen, daß
sich ein Bestwert für die Leistung am Kondensator und 'damit auch an der Drosselspule
ergibt, wenn an dem Kondensator bzw. an der Drosselspule bei der Resonanzfrequenz
f, die gleiche Blindleistung auftritt, die bei der Nennleistung der Anordnung dem
Schwingungskreis als Wirkleistung zugeführt bzw. entnommen wird. Die neue Anordnung
benötigt danach bezogen auf die Resonanzfrequenz das Doppelte der übertragenen Wirkleistung
an Blindleistung, die je zur Hälfte auf Drosselspule und Kondensator entfällt. Unter
Berücksichtigung einer derartigen Bemessung des Schwingungskreises kann man nunmehr
für die Änderung der Verbraucherspannung in Abhängigkeit von der Änderung der Frequenz
und der Änderung der Belastung die Beziehung ableiten:
In dieser Gleichung bedeuten Ulo die den Verbrauchern zugeführte Spannung bei einer
Bezugsfrequenz fo,
das Verhältnis der jeweils vorhandenen Frequenz zu dieser Bezugsfrequenz und a einen
Belastungsfaktor (a = =bei Nennlast).
-
In Auswertung der obigen Gleichung ist in Fig. 2 das Verhältnis der
Spannung
über dem Frequenzverhältnis zwischen ?i = 1,5 und @ = o,67 dargestellt. Für a =
i (Nennlast) bleibt dieses Verhältnis der Spannung völlig konstant, für a = o (Leerlauf)
erreicht sie bis zu 8 °/o höhere Werte, für a = o,5 (Halblast) bis zu 6 °/o. Bei
Überlast (a größer als i) sinkt die Spannung nach beiden Seiten vom Sollwert der
Frequenz ab. Es ist immerhin beachtlich, daß die Spannungsabweichung z. B. zwischen
Leerlauf und Vollast nur :L 4 °/o bei gleichzeitiger Drehzahländerung im Verhältnis
i : 2,25 beträgt. Insbesondere wenn die Anordnung vorwiegend im Vollastbereich arbeitet,
tritt die Spannungsabweichung trotz großer Änderungen der Drehzahl kaum in Erscheinung.
Die etwa noch auszuregelnden Spannungsunterschiede bereiten bei dem vom Regler nur
noch zu bewältigenden kleinen Regelbereich keine Schwierigkeiten mehr.
-
Aus der obigen Gleichung und aus der Fig. 2 ergibt sich, daß bei der
Nennlast (a = i) die an den Verbrauchern auftretende Spannung U1 völlig unabhängig
von der Frequenz ist, solange voraussetzungsgemäß der Strom 1Z konstant bleibt.
Man kann die dabei vorhandene Leistung in Anlehnung an eine ähnliche Erscheinung
an langen Wechselstromfernleitungen als natürliche Leistung der Anordnung bezeichnen.
Tatsächlich ergibt sich auch für den Belastungswiderstand des Verbrauchers bei Vollast
Rln eine ähnliche Beziehung wie für den Wellenwiderstand der Leitung. Es ergibt
sich
, wenn L und C die Induktivität der Drosselspule und die Kapazität des Kondensators
bedeuten, d. h. also, der Belastungswiderstand, bei dem die Spannung völlig unabhängig
von der Frequenz wird, ist gleich dem halben Wert des Wellenwiderstandes des Schwingungskreises.
-
Die neue Anordnung eignet sich insbesondere als Stromquelle für konstante
Spannung für Sondergeräte, wie sie in der Kriegstechnik vorkommen, bei denen eine
Anzahl Elektronenröhren (Verstärkerröhren) mit gleichbleibendem Heizstrom und Anodenspannung
betrieben werden sollen, wo aber nur ein in der Drehzahl stark veränderlicher Generator
zur Verfügung steht. Es ergibt sich dabei der Vorteil, daß die neue Anordnung mit
normalen Maschinen und Bauteilen arbeitet.
-
Fig. 3 der Zeichnung zeigt zunächst die Schaltung, wenn man mit der
neuen Anordnung eine konstante Gleichspannung etwa als Anodenspannung für Elektronenröhren
erzeugen will. Die dreiphasige Ständerwicklung des Generators i besitzt einen Sternpunkt
in der Mitte der Wicklung, und an die Wicklungsenden sind die Drosselspulen 2 und
die Kondensatoren 3 in der dargestellten Weise angeschlossen. Auf der rechten Seite
sind die einzelnen Phasen des Schwingungskreises an eine dreiphasige Grätzschaltung
von Gleichrichtern 7 (insbesondere Trockengleichrichter), angeschlossen, und an
den beiden Sternpunkten dieser Grätzschaltung wird dann die Gleichspannung U" entnommen.
Zur Glättung dieser Gleichspannung ist
noch die Drosselspule 8 eingeschaltet.
Durch einen Regler, der von der Gleichspannung L', betätigt wird und auf den Erregerstrom
des Generators i einwirkt, können die kleinen Abweichungen der Spannungen vom Sollwert
leicht ausgeregelt werden. Der Umspanner 4 der Fig. i kann hier entbehrt werden,
weil seine Aufgabe von der Ständerwicklung des Generators i mit übernommen wird.
Da die genaue Einhaltung der Spannung bei diesen Anlagen vorwiegend mit Rücksicht
auf die Heizspannung der Röhren gefordert wird, kann man den vom Generator gelieferten
konstanten Strom auch unmittelbar zur Wechselstromheizung der Röhren verwenden.
Der Schwingungskreis wird dann nur noch zur Gewinnung der Anodenspannung benötigt
und erhält sehr kleine Abmessungen, weil die Anodenleistung gegenüber der Heizleistung
klein ist. Auch haben Schwankungen der Anodenspannung nicht die nachteilige Wirkung
wie bei der Heizspannung. Fig.4 zeigt eine solche Anordnung. Der Generatorstrom,j2
speist unmittelbar die Heizumspanner 9 und io der Elektronenröhren ii und 12, deren
Anodenspannung über den Schwingungskreis 2, 3, 4, die Gleichrichter 7 und die Drosselspule
8 geliefert wird. 13 und 14 stellen die äußeren Nutzwiderstände im Anodenkreis der
Röhren dar. Im Gegensatz zur Fig. 3 ist die Schaltung des Schwingungskreises 2 bis
3 und der Gleichrichter 7 nur einphasig dargestellt; sie entspricht jedoch dieser
Fig.3.
-
Für den für die Erfindung benötigten Synchrongenerator kann man vorteilhaft
eine normale Asynchronmaschine verwenden, deren mehrphasige Schleifringwicklung
nach einer der bekannten Schaltungen mit Gleichstrom erregt wird. Die Asynchronmaschine
eignet sich für den vorliegenden Zweck deshalb besonders gut, weil sie das geforderte
kleine Kurzschlußverhältnis wegen ihres kleinen Luftspaltes von Hause aus aufweist.