Anordnung zur Spannungsregelung von Synchronmaschinen. Bekanntlich wirkt der Belastungsstrom einer Synchronmaschine auf das Feld zurück (Ankerrückwirkung). Diese Ankerrückwir kung muss durch Änderung der Erregung wieder ausgeglichen werden, um das Feld in der Maschine und damit die Spannung an den Klemmen konstant zu halten. Man kann dies auch so ausdrücken, da.ss der wirksame Erregerstrombelag, nämlich die geometrische Summe zwischen Läufer- und Ständerstrom- helag, praktisch konstant gehalten werden muss. Normalerweise wird dies durch Schnell regler besorgt.
Diese werden umsomehr be ansprucht. je kleiner der wirksame Erreber- strombelag gegenüber dem Ständer bezw. Läuferstrombelag ist, das heisst je kleiner der Luftspalt ist. Trotz der Verwendung von Schnellreglern erfolgt die Aufhebung der Ankerrückwirkung vielfach nicht mit der ge wünschten Schnelligkeit, weil die Beeinflus sung der Läuferamperewindungen über ein mechanisches Zwischenglied erfolgt, das zu- dem erst über die Erregerkreise einer oder mehrerer Erregermaschinen wirkt.
Es treten dadurch unvermeidliche Verzögerungen. ein, die zu einer vorübergehenden Spännungsab- senküng führen. Namentlich wenn nie Ma schinen- auf lange Übertragungsleitungen speisen, kann die Übertragung zusammen brechen, weil die Maschinen, die gleichzeitig als Spannungsstützpunkte dienen, auseinan derfallen.
Man hat nun frühzeitig vorgeschlagen, die so nachteilige Ankerrückwirkung selbst tätig mit Hilfe eines Einankerumformers aufzuheben, dessen Schleifringe von einem mit dem Ständer der Synchronmaschine in Reihe geschalteten Stromtransformator ge speist werden, während er kommutatorseitig die Erregerwicklung mit Gleichstrom speist (vergleiche Arnold, "Wechselstromtechnik" Band IV, 2. Auflage, Seite 162 ff).
Die Wir kungsweise eines derartigen mit der Syn chronmaschine direkt gekuppelten Einanker- umformers (Rice-Danielson-Umformer) hängt von der Phasenlage des Primärstromes der Synchronmaschine ab.
Während bei einem bestimmten Leistungsfaktor, zum Beispiel bei cos p = 1, der den Schleifringen des Ein ankerumformers zugeführte Wechselstrom lediglich in Gleichstrom kommutiert wird und am Kommutator in voller Grösse wieder herauskommt, wirkt er beim Leistungsfak tor cos cp = 0 nur auf das Erregerfeld des Einankerumformers. In diesem Fall bildet sich der Kommutatorstrom nach der durch Drehung in diesem Feld erzeugten Spannung und dem Widerstand im Gleichstromkreis aus, im ersten Fall entsteht dagegen der Strom unabhängig vom Widerstand.
Der Einankerumformer arbeitet hierbei a15 Stromtransformator unter gleichzeitiger Fre- quenzumformung, wobei sich die Spannung selbsttätig dem Widerstand anpasst. Wenn die Felderregung im Ständer hierzu nicht ausreicht, wird ein Teil des Sehleifring- stromnes zur Feldbildung verwendet.
Im zweiten Fall dagegen wirkt der gesamte Schleifringstrom lediglich auf das Feld ent weder gleichsinnig oder gegensinnig mit der Ständererregung und der am Kommutator abgegebene Strom wird rein generatorisch durch Drehung des Ankers in diesem Feld erzeugt. Lässt man den Einankerumformer frei laufen, so wirkt er stets als Strom frequenzumformer, doch ist sein Verhalten alsdann von der Spannung an seinen Schleif ringen abhängig, die in weiten Grenzen schwankt, so dass ein befriedigender Betrieb auf diese Weise nicht möglich ist.
Kuppelt man ihn mit einer takthaltenden Synchron maschine, so bestehen wieder die gleichen Schwierigkeiten wie bei direkter Kupplung mit der Hauptmaschine. Abgesehen von die sen Nachteilen, ist es auch nicht möglich, der Synchronmaschine eine von der Belastung unabhängige Erregung zu geben, weil die beiden Erregungen in den bisher bekannt ge wordenen Anordnungen sich bei Stromände rungen gegenseitig stören.
Anordnungen nach der vorliegenden Er findung ermöglichen nun, die Erregung der Synchronmaschine durch verschiedene Ein flüsse ohne gegenseitige Störung zu steuern, wobei diese Einflüsse sich auf rein elektri schem Wege ohne Vermittlung mechanischer Regelorgane unmittelbar auf die Erregung- auswirken. Man kann auf diese Weise sowohl den Belastungsstrom der Synchronmaschine, die Netzspannung, den Netzstrom oder eine bezw. mehrere von diesen unabhängige Grö ssen in beliebiger Kombination auf die Erre gung wirken lassen.
Erfindungsgemäss geschieht dies durch einen Gleichrichter, der gleichstromseitig die Erregerwicklung der Synchronmaschine di rekt oder indirekt speist, während der Trans formator des Gleichrichters mit einem von der Belastung der Synchronmaschine unab hängigen Scheinwiderstand in Reihe geschal tet ist, dessen Leistung ein Vielfaches der über ihn an den Gleichrichtertransformator gelieferten Leistung ist.
Einige Ausführungsbeispiele sollen den Erfindungsgedanken näher erläutern.
In Abb. 1 bezeichnet 1 einen Synchron generator, der von einer Kraftmaschine 2 an getrieben werden soll. Die Erregerleistung wird den Schleifringen über den Gleichrich ter 3 zugeführt. Die Primärwicklung des Gleichrichtertransformators 4 wird in Strom transformatorschaltung mit zwei Strömen ge speist, einmal über den Kompoundtra.nsfor- mator 5 mit dem Strom der Synchronma schine und ferner mit dem Strom der Blind leistungsmaschine 6. Die Leistung der Syn chronmaschine 6 ist ein Vielfaches der über sie an den Transformator 4 abgegebenen Lei stung, ferner ist von sich aus die Leistung der Synchronmaschine 1 ein Vielfaches der über den Transformator 5 an 4 abgegebenen Leistung.
Es können sich daher beide Ströme ungehindert in der Primärwicklung von überlagern, wodurch in der SekundKrwick- lung ein ihrer Summe entsprechender Sekun därstrom entsteht. Spannungsänderungen, die durch Änderungen des einen Stromes ent stehen, haben auf die Grösse des andern Stromes keinen Einfluss, weil die Spannung am Transformator 4 klein gegenüber der Spannung an den mit ihm in Reihe geschal teten Scheinwiderständen 1 bezw. 6 ist. Ver ursacht also der über 5 gelieferte Strom eine Spannungsänderung im Transformator 4, so hat dies auf die Grösse des Stromes in 6 praktisch keinen Einfluss, weil sich die an liegende Spannung praktisch nicht ändert.
Denn sie soll ja gross gegenüber der Span nung an .t sein. Der von 5 gelieferte Strom bewirkt nun selbsttätig eine Verstärkung der Läufererregung von 1, sobald die Maschine belastet wird und wirkt dadurch der Anker rückwirkung entgegen. Die Blindleistungs- maschine 6 ist von sich aus bestrebt, solange die Netzspannung konstant bleibt, einen kon stanten Erregerstromanteil an die Läufer wicklung von 1 zu liefern. Bei abnehmender Spannung vergrössert sie dagegen selbsttätig ihre Stromabgabe und wirkt dadurch ver- -4tärkend auf die Erregung von 1 ein.
Man kann aber auch die Primärwicklung von -1 mit Anzapfungen versehen und die wirk samen Windungszahlen für beide Ströme än dern, wodurch der von beiden hervorgerufene Effekt nach Belieben beeinflusst werden kann. Statt Stufenregelung kann man dann auch stetige Regelung mit Doppeldrehtrans- formatoren usw. anwenden.
Es ist jedoch dann zweckmässig, deren eigenen Blindleistungs- verbrauch, der von der jeweiligen Spannung an den Stromtransformatoren abhängig ist, durch parallel geschaltete Kondensatoren zu kompensieren, weil sonst das Stromüber- setzungsverhältnis gestört würde. Änderun gen der Phasenlage des Ständerstromes der Hauptmaschine haben hier nicht den Nach teil, wie bei .einem direkt gekuppelten Ein ankerumformer, da der Gleichrichter ohne Rücksicht auf die Phasenlage gleichrichtet.
Er verhält sich in dieser Hinsicht wie ein freilaufender Einankerumformer, ohne dessen Nachteil der Abhängigkeit von seiner Schleif ringspannung zu haben.
Anstatt dem Gleichrichtertransformator -l. den Strom der Blindleistungsmaschine 6 zu überlagern, könnte man auch mit Hilfe eines entsprechend geschalteten Kompoundtrans- formators den Netzstrom überlagern, um die Erregung in Abhängigkeit von der Netz belastung zu verstärken.
Der von der Blindleistungsmaschine ge lieferte Strom dient zur Aufrechterhaltung des Feldes in 1 bei Leerlauf und auch bei Be lastung, wenn man die Wirkung des Trans formators 5 nur auf die Aufhebung der An kerrückwirkung einstellt. Zweckmässig wird man die Erregung von 6 durch Schnellregler in Abhängigkeit von der Netzspannung be einflussen und dadurch den Strom 6 so re geln, dass die Spannung der Hauptmaschine konstant bleibt. Der Schnellregler hat dabei nur die Aufgabe, kleine Korrekturen in den Läuferamperewindungen von 1 auszuregeln, da die Aufhebung der Ankerrückwirkung schon von 5 besorgt wird.
Der Schnellregler ist dadurch weitgehend entlastet, zumal wenn man berücksichtigt, dass die Anordnung schon selbsttätig auf Spannungsänderungen durch Stromänderung der Blindleistungsma- schine 6 anspricht. In Abb. 2 ist eine ähnliche Anordnung dargestellt, weshalb auch teilweise die glei chen Bezeichnungen gewählt sind, doch ar beitet dei Gleichrichter nicht unmittelbar auf die Erregerwicklung von 1, sondern auf die Erregerwicklung der Gleichstromerregerma- schine 7.
Diese besitzt zweckmässig Kompen sationswicklung, wodurch die Induktivität ihres Ankerstromkreises praktisch Null ist. Der Einfluss der Induktivität ihrer Erreger wicklung auf das sofortige Entstehen des ihr aufgedrückten Stromes ist durch die ge wählte Stromtransformatorschaltung weit gehend ausgeschaltet, so dass der Strom in der Erregerwicklung und damit auch ihr Fluss sofort in voller Höhe da ist. Damit ist aber auch die Ankerspannung der Maschine 7 in voller Höhe proportional dem zugeführ ten Erregerstrom da. Der Strom in der Läuferwicklung von 1 ist dann lediglich durch die Zeitkonstante dieses Kreises be stimmt.
Da man aber den Erregerstrom und die Ankerspannung von 7 auf ein Vielfaches ihres normalen Wertes im stationären Zu stand hinauftreiben kann (vorausgesetzt, dass die Erreermaschine und ihre Erregerstrom- t' kreise für die vorkommende höchste Span nung bemessen sind). ist damit praktisch die gleiche Gewähr gegeben, dass der Erreger strom von 1 genau wie bei Schaltung 1 sich in kürzester Zeit auf den neuen Endwert einstellt.
Um den Erregerfluss in 7 verzöge rungsfrei und grössenproportional dem Er regerstrom folgen zu lassen, ist es zweck mässig, den magnetischen Kreis auch im Stän- .der der Haschine völlig aus isolierten Ble chen herzustellen und den Ankerstrom der Maschine 7 durch eine Kompensationswick lung im Ständer vollständig zu kompensieren, wobei dann die Maschine 7 in der Art einer ständererregten Kommutatorhintermaschine ausgeführt sein kann.
Die Maschine 7 wirkt hierbei lediglich als Verstärkungsglied der über 3 und 4 zu geführten Erregerenergie, wodurch es mög lich ist, die Stromtransformatoranordnung wesentlich kleiner zu halten, als bei direkter Speisung der Erregerwicklung von 1. Die Schaltung ist hier insofern etwas abgeändert. als die Blindleistungsmaschine 6 nicht am Netz liegt, sondern durch einen besonderen Motor angetrieben wird und statt auf das Netz auf die Drosselspule 9 geschaltet ist. Man muss auch dafür sorgen, dass die an 9 ab gegebene Leistung ein Mehrfaches der an 4 abgegebenen Leistung ist. Bei dieser Schal tung ist der Strom von 6 unabhängig von der Netzspannung, was von Vorteil sein kann, wenn die Hauptmaschine auf das spannungs lose Netz angefahren werden soll.
Die Anordnung nach Abb. 3 entspricht im wesentlichen der Anordnung nach Abb. 2 mit dem Unterschied, dass Drosselspule 9 und Blindleistungsmaschine 6 parallel am Netz liegen, und der Drosselstrom sich ebenfalls über den Transformator 4 schliesst. Da je doch der Drosselstrom nacheilend, der Strom von 6 vorwiegend voreilend gegenüber der etzspannung ist, wirken sich beide Ströme im Transformator 4 in der Hauptsache ent gegen und nur ein der Differenz entsprechen der Anteil wird gleichgerichtet.
Daraus geht hervor, dass 6 und 9 hierbei entsprechend grösser bemessen werden müssen als bei der Schaltung nach Abb. \?. Diese Schaltung hat nun den besonderen Vorteil, dass mit abneh mender Netzspannung der Drosselstrom zu rückgeht und .daher seina Gegenwirkung im Transformator 4 naehlässt, während gleich zeitig der Strom von 5 ansteigt. Wenn man 6 und 9 genügend gross gegenüber der an 3 und 9. abgegebenen Leistung macht, wird die Netzspannung selbsttätig weitgehend kon stant gehalten.
Man kann in dieser Schal tung den Kompoundtransformator 5 auch weglassen, dann muss durch die Differenz wirkung von Blindleistungsmaschine und Drosselspule auch die Ankerrückwirkung aufgehoben werden. Man kann die vorstehend beschriebenen Anordnungen auch zur Schnell- entregung verwenden, wenn sich herausstellt, .dass bei Spannungszusammenbrüchen die ver mehrte ins Netz gelieferte Blindleistung doch nicht ausreicht, die Spannung zu halten.
Man lässt dann den von der Stromtransforma- torschaltung gelieferten Strom auf Gegen erregung der Synchronmaschine wirken, so lange bis das remanente Feld verschwunden ist, worauf die ganze Erregung abgeschaltet bezw. kurzgeschlossen werden kann. Man verwendet zu diesem Zweck einen zweiten Gleichrichter in Kreuzschaltung mit dem er sten, um mechanische Schaltvorgänge zu ver meiden. Diesen zweiten Gleichrichter sperrt man durch entsprechende Gitterbeaufschla- gung, solange der erste arbeitet.
Soll der Entregungsvorgang eingeleitet werden, so wird der zweite Gleichrichter freigegeben und der erste gesperrt, so dass die Ampere windungen im Läufer der Synchronmaschine ihre Richtung umkehren. Bei einer gewissen Grösse des Gegenstromes verschwindet das Feld in der Synchronmaschine, und man lässt dann durch diesen Strom auch den ersten Gleichrichter freigeben, so dass jeder Gleich richter über den andern kurzgeschlossen ist. Dies ist ohne weiteres zulässig, weil die Grösse des Stromes durch die Stromtransfor- matorschaltung gegeben ist. Abb. 4 zeigt eine derartige Anordnung, die im wesent lichen der Anordnung nach Abb. 3 ent- spricht.
Es gelten daher auch die gleichen Bezeichnungen wie dort, neu hinzugekom men ist der Gleichrichter 10 und dessen Transformator 11. Dieser Gleichrichter ist mit dem vorhandenen in Kreuzschaltung ver bunden. Die Primärwicklungen der beiden. (ileichrichtertransformatoren sind parallel geschaltet. Solange die Gitter des Gleich richters 10 gesperrt sind, kann sich der ge samte Strom nur über den Transformator 4 und den Gleichrichter 3 schliessen. Der Trans formator 11 führt lediglich den geringen 1Za.gnehsierungsstrom. Gibt man nun den Gleichrichter 10 frei und schliesst den Gleichrichter 3, so kehrt der Strom sekundär seine Richtung um. Der Transformator 4 bleibt nunmehr als leerlaufender Transforma tor parallel zum Transformator 11.
Hat der Strom im Läufer den Wert erreicht, der zur :Aufhebung des remanenten Feldes erforder lich ist, so kann man in Abhängigkeit von der Grösse dieses umgekehrten Gleichstromes auch den Gleichrichter 3 wieder öffnen, und umgekehrt. Die Erregerwicklung von 7 wird dadurch stromlos und damit auch der Läufer der Synchronmaschine.
Der besondere Vorteil der im vorstehen den beschriebenen Anordnungen liegt darin, dass die Erregung der Synchronmaschine selbsttätig sich der Belastung anpasst und auf konstante Netzspannung regelt, ohne dass Regler eingreifen müssen. Diese haben ledig lich kleine Korrekturen vorzunehmen, arbei ten also unter sehr günstigen Verhältnissen.
Der nachteilige Einfluss der Induktivität der Erregerkreise auf das sofortige Entstehen des Errel-erstromes ist hier dadurch weitgehend beseitigt, dass die Zeitkonstante nicht durch Einschalten von Ohmschem Wider stand auf der Gleichstromseite verkleinert ist, was unnötige Erregerverluste und un- nötigy grosses regelbares Erregerzubehör ver ursachen würde, sondern durch Einschalten grosser Scheinwiderstände im Netzfrequenz kreis, die dort zum Teil an sich schon vor banden sind (Hauptmaschine).
Selbst wenn diese reine Blindwiderstände sind (Drossel spule) wirken sie infolge der konstanten Fre- quenz wie Olimsche Widerstände im Gleich stromkreis, ohne deren Nachteile zu haben. Die Blindwiderstände im Netzfrequenzkreis verkleinern also die Zeitkonstante im Gleich stromkreis. Zugleich ergibt sieh der Vorteil der bequemen Überlagerung verschiedener Ströme und kleinen Regelzubehörs.