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.Anordnung zur Erregung von Synchronmaschinen über Gleichrichter Zur
Erregung von Synchronmaschinen ist eine Anordnung bekannt, bei der die Maschine
über Gleichrichter in Stromschaltung einerseits mit einem lastabhängigen, andererseits
mit einem lastunabhängigen Strom erregt wird. Diese Schaltung eignet sich im allgemeinen
zur selbsttätigen Konstanthaltung der Spannung innerhalb kleiner Grenzen, ohne daß
zusätzliche Mittel zur Regelung der Spannung benötigt werden. Sie ist dabei im Aufbau
und in der Wirkungsweise besonders einfach. Es gibt jedoch auch Fälle, insbesondere
bei Großgeneratoren in Verbundbetrieb oder zur Energieübertragung über lange Leitungen,
wo eine genaue Regelung der Spannung oder eine Regelung über einen sehr großen Bereich
gewünscht wird.
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung, bei der unter Beibehaltung
der genannten Gleichrichtererregung in Stromschaltung dieses Ziel ohne Verwendung
von Gleichstrommaschinen mit Kommutatoren und ohne Kontaktregler erreicht werden
kann und die synchrone Hauptmaschine mit einer sich selbsterregenden, vorzugsweise
mit gleichbleibender Spannung arbeitenden zweiten Synchronmaschine (im folgenden
als Hilf serregermaschine bezeichnet) gekuppelt ist. Erfindungsgemäß wird letztere
über einen regelbaren Umspanner und einen genügend
großen Scheinwiderstand
(der auch eine Maschine sein kann), dessen Leistung ein Mehrfaches der an den Gleichrichter
abgegebenen Nutzleistung beträgt, erregt, um die Hauptmaschine auf eine nach Belieben
einstellbare Spannung zu regeln. Die Hilfserregermaschine arbeitet mit Gleichrichterselbsterregung
in Stromschaltung und hat daher gleichbleibende Spannung. Mit Hilfe eines stetig
regelbaren Umspanners (insbesondere eines Drehreglers) kann über den gegebenenfalls
als dritte Synchronmaschine ausgebildeten Scheinwiderstand der Grundanteil des Erregerstromes
der synchronen Hauptmaschine und damit deren Spannung von Null bis zum vollen Wert
geregelt werden. Die Steuerung dieses Umspanners erfolgt zweckmäßig durch einen
Oldruckregler (z. B. durch den als Neufeldt- und Kuhnke-Regler bekannten Regler),
so daß weder Korrimutatoren noch Kontaktregler benötigt werden.
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Es ist bereits eine Anordnung zur Schnellerregung und Schnellregelung
von Wechselstrommaschinen (insbesondere von Turbogeneratoren) bekannt, bei der als
Erregermaschine eine mit der Hauptmaschine gekuppelte Wechselstrommaschine dient,
die über einen steuerbaren Quecksilberdampfgleichrichter die Erregerwicklung der
Hauptmaschine speist. Diese Wechselstrommaschine kann dabei mit Selbsterregung arbeiten,
wobei ihr Gleichstromerregerkreis von .der Wechselspannung der Maschine über einen
Gleichrichter gespeist wird. B-ei dieser bekannten Anordnung speist jedoch die Hilfssynchronmaschine
über den Gleichrichter unmittelbar die Erregerwicklung des Hauptgenerators, während
sie gemäß der Erfindung über einen regelbaren Umspanner und einen Scheinwiderstand
der genannten großen Leistung die Hauptmaschine erregt. Durch diese letztere Anordnung
wird eine unmittelbare Stromüberlagerung von zwei Erregerkomponenten an der Erregerwicklung
des Hauptgenerators ermöglicht, wobei die eine Komponente dem Strom des Hauptgenerators,
die zweite der Spannung der Hilfserregermaschine proportional ist.
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Die Anordnung nach der Erfindung eignet sich insbesondere für große
Turbo- und Wasserkraftgeneratoren, bei denen die Vorteile der Gleichrichtererregung
in Stromschaltung mit denen einer leichten und willkürlichen Steuerung der Spannung
auf beliebige Werte vereinigt werden sollen.
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Im folgenden ist die Erfindung an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert. In Fig. i ist i die synchrone Hauptmaschine. Sie wird über den
beispielsweise als Trockengleichrichter ausgebildeten Gleichrichter :2 und über
den Umspanner 3 mit einem lastabhängigen und einem lastunabhängigen Strom erregt.
Zu diesem Zweck sind die drei Phasen der Erstwicklung des Umspanners 3 in ihren
Mitten zu einem Sternpunkt vereinigt, und der obere Teil dieser Sternschaltung ist
mit der Ständerwicklung der Hauptmaschine i in Reihe geschaltet, während dem unteren
Teil der lastunabhängige Erregerstromteil über die Drosselspule 4 von der Zwischenerregermaschine
5 zugeführt wird. Die Drosselspule 4 sichert bei genügender Größe die Unabhängigkeit
des von der Maschine 5 gelieferten Erregerstromes von der Belastung der Maschine
i. Die Zwischenerregermaschine 5 wird über den wieder zweckmäßig als Trockengleichrichter
ausgeführten Gleichrichter 6 und über den Drehumspanner 7 von der mit der Hauptmaschine
gekuppelten Hilfserregermaschine 8 erregt, die ihrerseits über den Gleichrichter
9 und über den Umspanner io in Stromschaltung einerseits vom eigenen Belastungsstrom,
andererseits von der abgegebenen Ankerspannung erregt wird. Zu diesem Zweck ist
der Umspanner io in derselben Weise, wie. für den Umspanner 3 geschildert, ausgeführt.
Ebenso dient die Drosselspule i i demselben Zweck wie die Drosselspule 4. In Reihe
zur Drosselspule i i liegen noch Kondensatoren 12, die bei einer bestimmten Frequenz
in Resonanz mit der Drosselspule i i sind und eine Selbsterregung mit Hilfe der
kleinen Remanenz der Maschine 8 ermöglichen. Die Maschine 8 liefert bei dieser Erregung
konstante Spannung. Der Drehumspanner 7 wird von einem Öldruckregler 13 gesteuert,
der seinerseits von der Netzspannung der Hauptmaschine oder einer anderen Bezugsgröße
gesteuert wird. Mit Hilfe dieses Reglers kann die von dem Drehumspanner 7 abgeg,4bene
Spannung beliebig geregelt werden. Durch Vergrößern oder Verkleinern des von der
Zwischenerregermaschine 5 über die Drosselspule 4 gelieferten Stromes kann die Spannung
der Hauptmaschine i genau ausgeregelt und auf jeden beliebigen Wert zwischen Null
und Nennspannung eingestellt werden. Die Drosselspule 4 kann auch wegfallen, wenn
man die Zwischenerregermaschine 5 mit genügend kleinem Kurzschlußverhältnis, d.
h. mit genügend großer Ankerrückwirkung (kleinem Luftspalt), ausrüstet. Der Ständerstrom
ist dann weitgehend vom wirksamen Erregerstrom, d. h. vom Feld der Maschine, unabhängig
und in der Hauptsache durch den Läuferstrom gegeben.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind die Zwischenerregermaschine
5 und die Hilfserregermaschine 8 zu einer Maschine 14 vereinigt, die als sogenannte
Doppelfeldmaschine ausgeführt ist. Sie besitzt daher sowohl im Läufer als auch im
Ständer zwei voneinander elektrisch unabhängige Wick= Lungen, die zu diesem Zweck
verschiedene Polzahlen aufweisen und insbesondere im Polzahlverhältnis i : 2 stehen.
Die Doppelfeldmaschine erregt sich mit dem der Maschine 8 in Fig. i entsprechenden
Teil über den Gleichrichter 9, den Umspanner io und über die Drosselspule i i selbst
und liefert dabei über den Drehumspanner 7 und den Gleichrichter 6 die Erregung
für den der Maschine 5 der Fig. i entsprechenden Teil. Dieser speist ebenso wie
in Fig. z die Erregung der Hauptmaschine i. Da die Frequenz des an die Drosselspule
4 angeschlossenen Teils der Doppelfeldmaschine wegen der Überlagerung am Umspanner
3 mit der Frequenz der Hauptmaschine übereinstimmen muß, so muß andererseits der
andere Teil der Doppelfeldmaschine und die an ihn angeschlossenen Teile mit einer
Frequenz arbeiten, die durch das Polzahlverhältnis
an der Doppelfeldmaschine
gegeben ist, also insbesondere doppelt so groß oder halb so groß wie die Frequenz
der Hauptmaschine ist. Da das Feld in der Doppelfeldmaschine 14 für die Regelung
der Maschine i in weiten Grenzen geregelt werden soll, kann die Sättigung nicht
zum Stabilisieren des Hilfserregerkreises für die Doppelfeldmaschine benutzt werden.
Diese Stabilisierung wird vielmehr dadurch erreicht, daß die Erstwicklung des Umspanners
io durch Sternpunktverbindung der Phasenmitten ebenfalls in zwei Teile zerlegt ist,
von denen der obere Teil über die nichtgesättigte Drosselspule i i von der Ankerspannung
der Maschine 14 gespeist wird, während der untere Teil über die gesättigte Drosselspule
15 ebenfalls von der Ankerspannung gespeist wird. Die von den Drosselspulen ii und
15 aufgenommenen Ströme werden dabei dem Umspanner io in Differenzschaltung zugeführt.
Die Wirkungsweise dieser Stabilisierungsschaltung geht aus dem Diagramm der Fig.
3 hervor, in dem a die geradlinige Kennlinie des Hilfserregerkreises an der Maschine
14 darstellt, während b die Kennlinie der ungesättigten Drosselspule i i und c die
aus der Differenz der Ströme der Drosselspulen i i und 15 zusammengesetzte
Kennlinie darstellt, die mit der Kennlinie a den stabilen Schnittpunkt d ergibt.
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Die lastabhängige Erregung an der Maschine 14 ist in Fig. 2 dadurch
erreicht, daß am Umspanner io auch der den Gleichrichter 9 speisende Teil durch
Sternpunktverbindung der Phasenmitten in zwei Dreiphasenwicklungen zerlegt ist,
von denen die untere Wicklung mit der zugehörigen Ankerwicklung der Maschine 14
in Reihe geschaltet ist, während die obere Wicklung den Gleichrichter 9 speist.
Bezüglich der übrigen Schaltung stimmt Fig. 2 mit Fig. i überein.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig.4 ist die Zwischenerregermaschine
5 weggelassen. Die Hilfserregermaschine 8 speist unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung
einer Verstärkereinrichtung, die Erregerwicklung der Hauptmaschine i. Sie ist daher
so groß bemessen, daß sie den Grundanteil des Erregerstromes der Hauptmaschine i
decken kann. Die Hilfserregermaschine erregt sich von ihrer Ankerspannung aus über
die Drosselspule i i bzw. die Kondensatoren 12" den Umspanner io und über den Gleichrichter
9 selbst. Außerdem liefert aber die Ankerspannung der Hilfserregermaschine 8 auch
noch die Grunderregung für die Hauptmaschine i. Zu diesem Zweck ist die Erstwicklung
des Umspanners io mit der Erstwicklung eines Doppeldrehumspanners 16 in Reihe geschaltet,
dessen Zweitwicklung über den Umspanner 3 und über den Gleichrichter 2, ebenso wie
in den anderen Ausführungsbeispielen, die Erregung der Hauptmaschine i speist. Um
die Hilfserregermaschine 8 von der Lieferung des Grunderregerstromes zu entlasten,
so daß sie dementsprechend kleiner ausfällt, kann man in Parallelschaltung zu dem
von der Hilfserregermaschine gelieferten Strom noch den Strom einer großen Drosselspule
17 der Erregung der Hauptmaschine zuführen, die unmittelbar von der Spannung der
Hauptmaschine .gespeist wird bzw. parallel zur Hauptmaschine liegt. Für die Regelung
des Grundanteils der Erregungen der Hauptmaschine dient der Doppeldrehumspanner
16, der seinerseits über den Öldruckregler 13 von der Spannung der Hauptmaschine
oder von einer sonstigen steuernden Größe gesteuert wird. Die Spannung der Hilfserregermaschine
bleibt dabei im wesentlichen konstant. Über den Doppeldrehumspanner 16 kann jeder
beliebige Erregerstrom und damit jede beliebige Spannung an der Hauptmaschine eingestellt
werden.
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Zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Schaltung der Fig.4 dient
das Diagramm der Fig. 5. In diesem ist a die Kennlinie der Hauptmaschine. Durch
den Doppeldrehumspanner kann der Erregerstrom ob, ob' usw. eingestellt werden.
Man erhält dadurch die Spannungen be, b'e' usw. Nimmt man den Strom der Drosselspule
17 noch hinzu, so liefert der Erregerkreis Erregerströme nach den Kennlinien bc,
b'c', die stabile Schnittpunkte d, d' usw. ergeben. Man erhält dadurch eine
beträchtliche Verkleinerung der Hilfserregermaschine 8 und ihres Zubehörs, da sie
nur die geringen, ob, ob' zugeordneten Erregerströme zu liefern hat.
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Bei der Anordnung nach Fig. 6 sind, ähnlich wie in Fig. i, eine Zwischenerregermaschine
5 und eine Hilfserregermaschine 8 vorgesehen. Der Ankerkreis der Zwischenerregermaschine
speist jedoch unmittelbar den Erregergleichrichter 2 für die Hauptmaschine. Um die
Drosselspule 4 der Fig. i zu ersparen, ist die Zwischenerregermaschine 5 wieder
mit großer Ankerrückwirkung bzw. kleinem Kurzschlußverhältnis ausgeführt. Die Gleichstromerregung
der Zwischenerregermaschine wird nun einerseits von der Hilfserregermaschine 8,
andererseits zur Herstellung der lastabhängigen Erregerkomponente von dem Umspanner
3, dessen Erstwicklung vom Laststrom der Maschine i durchflossen ist, erregt. Die
Hilfserregermaschine 8 erregt sich über den Gleichrichter 9, den Umspanner io und
über die Drosselspule ii sowie über die Kondensatoren 12 selbst und liefert gleichbleibende
Spannung. Sie speist über die Erstwicklung des Umspanners io, ebenso wie in Fig.
4, einen Doppeldrehumspanner 16, dessen Zweitwicklung über den Gleichrichter 6 die
Erregung der Zwischenerregermaschine 5 speist. Die lastabhängige Erregung wird von
der Zweitwicklung des Umspanners 3 über den Doppeldrehumspanner 18 dem Erregergleichrichter
6 für die Maschine 5 zugeführt. Durch Steuerung der Doppeldrehumspanner 16 und 18
über Öldruckregler kann wiederum die von- der Maschine i gelieferte Spannung in
Abhängigkeit von irgendwelchen Betriebsgrößen in weitestem Umfange geregelt werden.
Mit dem Doppeldrehumspanner 16 kann jeder Leerlaufpunkt der Maschine i, mit dem
Doppeldrehumspanner 18 die Statik der Spannung der Maschine i eingestellt werden.
Die Doppeldrehumspanner 16 und 18 fallen dabei sehr klein aus. Falls erforderlich,
kann der eigene Erregerstrom der Zwischenerregermaschine 5 auf ihrer Wechsel-
Stromseite
durch die Kondensatoren ig zum großen Teil gedeckt werden, jedoch nicht vollständig,
weil sonst Selbsterregungsgefahr besteht.