Verfahren zur Regelung der Feldstärke und der Klemmenspannung von Synchronmaschinen. Die Erfindung bezieht sich auf Syn chronmaschinen, deren erregender Teil aus permanentem Magnetstahl besteht; insbeson dere sollen als solche Stähle die neuerdings entwickelten Stähle mit sehr hoher Koerzitiv- kraft, also z. B. die sogenannten ausschei dungsgehärteten Magnetstähle mit einem Zu satz aus Aluminium oder Titan Verwendung finden.
Gemäss dem Verfahren der Erfin dung werden zur Regelung der Feldstärke und der Klemmenspannung von derartigen Synchronmaschinen der Maschine während des Betriebes regelbare Magnetisierungs- ströme zugeführt, die,den kleineren Teil des Erregerfeldes erzeugen, während der grössere Teil von dem permanenten Magnetstahl her- rührt.
Eine Synchronma.schin--, deren Erreger feld ausschliesslich durch einen permanenten Magnetstahl erzeugt ist, kann zwar bei Leer lauf eine genügend hohe Klemmspannung er zeugen. Wird jedoch die Synchronmaschine belastet, so entsteht vorwiegend durch den Blindstrom eine Ankerrückwirkung, die die Maschine entmagnetisiert,
so dass die Klem- menspannung der Maschine sich stark ver- mindert. Auch die bei Belastung der Ma schine entstehenden Streufelder wirken- im Sinne einer weiteren Verminderung der Klemmenspannung. Mit Hilfe der gemäss dem Verfahren der Erfindung der Maschine während des Betriebes zugeführten Magneti sierungsströme lässt sich nun dieser Span nungsabfall ausgleichen, bezw. mit Hilfe die ser Magnetisierungsströme ist es möglich,
die Spannung der Maschine auf den gewünschten Wert einzuregeln.
Das Verfahren der Erfindung kann bei spielsweise derart durchgeführt werden, dass der permanentmagnetische Läufer der Ma schine durch einen regelbaren Gleichstrom zusätzlich magnetisiert wird. Bei dieser Magnetisierung durch eine auf dem per manentmagnetischen Läufer aufgebrachte Gleichstromerregerwicklung kann man von der Zu- und Gegenschaltung des von der Gleichstromwicklung erzeugten Feldes zu dem vom
Permanentmagnetstahl herrühren den Feld Gebrauch machen, um auf diese Weise den Regelbereich der Gleichstrom wicklung zu erweitern.
Die Zusatzmagnetisierung .durch eine auf dem Läufer aufgebrachte Gleichstromwick lung erfordert sehr viel weniger AmpArewin- dungen, als sie etwa für eine Synchron maschine mit -Weicheisenläufer notwendig wären. Denn der grössere Teil des Erreger feldes wird durch die Koerzitivkraft des Permanentenmagnetstahls ohne äussern Er regerstrom geliefert und nur zur Überwin dung von Ankerrückwirkung und Streuung ist ein Aufwand von Erregerstrom notwen dig.
Die Erregerwieklungen ,derartiger Syn chronmaschinen können daher sehr-viel leich ter gehalten werden als die :der bisher üb lichen Synchronmaschinen mit Weicheisen- läufer. Hierdurch verringern sich die Läu ferverluste, so dass der Wirkungsgrad steigt und die Erwärmung zurückgeht.
Und da das Volumen und -das Gewicht der l;äuferwiGk- lung sich verkleinert, so steigt die Möglich keit guter Kühlwirkung und es vergrössert sich die mechanische Festigkeit gegenüber der Zentrifugalkraft. Dies spielt insbesondere --bei schnellaufenden Turbogeneratoren eine griffe Rolle, bei denen die Zentrifugalkräfte die Festigkeit des Läufers und daher die Ge samtkonstruktion beherrschen.
Durch das verringerte Gewicht der Läuferwicklung kann man mit der Umfangsgeschwindigkeit der Maschine erheblich höher gehen als bis her und erreicht dadurch eine gesteigerte Ausnutzung der Materialien und dadurch kleinere Einheitsgewichte und grössere Grenz- I eistungen.
Man kann in .der Verringerung des Mate rialaufwandes für .die Erregerwicklung noch einen Schritt weitergehen, indem man den Erregerstrom zur Erzielung der magne-Hsie- renden Amperewindungen nicht stets in glei cher Richtung fliessen lässt. Es ist vielmehr zweckmässig, die magnetischen Verhältnisse der Maschine so auszulegen, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.
Die Spannung E,_ ohne Zu satzerregung ist hier grösser als die Leerlauf spannung E, gewählt, so d@ass man zur Er zielung der Leerlaufspannung eine gewisse Gegenerregung -m benötigt, die erzielt wer den soll, indem man den Erregergleichstrom in umgekehrter Richtung durch die Erreger wicklung schickt. Bei Vollast der Maschine benötigt man die innere Spannung E3 und zu ihrer Erzeugung wird der Erregerstrom um gekehrt,
so ?dass er wieder in positiver Rich tung zusätzlich zur Permanenterregung wirkt. Durch diese Massnahme kann. man den Bedarf an Erregerstrom, an Erregerämpere- windungen und damit den Aufwand für die Erregerwicklung nochmals auf die Hälfte herabdrüoken, so @dass die oben geschilderten Vorteile hinsichtlich der Verringerung der Verluste, sowie des Volumens und Gewichts der Erregerwicklung sich noch weitergehend verbessern.
Benutzt man eine Gleichstrom erregermaschine zur Erregung, so lässt sich diese nach Fig. 2 :durch einen Wendeerreger stromregler genau so leicht auf Spannung regulieren, wie es 'bisher für die einseitige Spannungsregelung der Weicheisensynchron- maschinen üblich war.
Die beschriebene Regelung der Synchron maschine kann natürlich durch an sich be kannte Regulierungseinrichtungen in Ab hängigkeit von der Spannung, dem Strom mit seiner Wirk- und Blindkomponente, von dem Leistungsfaktor oder einer ähnlichen Ausgangsgrösse her erfolgen. Man hat bei diesen Anordnungen .den weiteren Vorteil, dass auch die Erregergleichstrommaschine wesentlich kleiner wird als bisher und dass deren Regelung mit einfachen Mitteln und viel geschwinder erfolgen kann als die der bisher benötigten grossen Erregermaschinen für schwere .Synchrongeneratoren.
Wenn der Synchrongenerator starke Kurzschlussströme abgeben muss, besonders bei einem relativ nahen Kurzschluss, so treten sehr starke entmagnetisierende Wirkungen durch ,die Ankerrückwirkung in der Ständer wicklung auf.
Es ist zweckmässig, diesen Kurzschlussstrom im Moment des Entstehens derart auf die Erregerstromkreise wirken zu lassen, dass sie entsprechend starke Gegen ströme in der Läuferwicklung ausbilden. Beispielsweise kann dies durch Anordnung eines Dämpferkäfigs auf dem Läufer erreicht werden.
Gelingt dies jedoch nicht oder nicht vollkommen, so soll die Erregungsanordnung derart ausgebildet sein,,dass nach Ablauf des Kurzschlussstromes kurzzeitig ein starker magnetisierender Erregerstrom in der E.rre- gewieklung der Synchronmaschine erzeugt wird, so dass .der permanentmagnetische Läu fer wieder auf seinen normalen Remanent- magnetismus herauf erregt wird, den er durch die Kurzschlussströme möglicherweise verloren hat.
Beispielsweise .kann man dies dadurch erreichen, dass, man die Hilfserreger wicklung am Läufer der ,Synchronmaschine an eine Stromquelle anschliesst, die einen ab normal starken, jedoch kurzzeitigen Strom durch die Erregerwicklung schickt.
Ganz besondere Vorteile im Bau der Syn chronmaschine erzielt man hinsichtlich Er wärmung, Lüftung und Zentrifugalkraft durch Anwendung permanentmagnetischer Läufer ohne jede Erregerwicklung. Da der artige Maschinen jedoch starken @Spannungs- abfall mit zunehmendem Belastungsstrom be sitzen, so muss man die Regulierung durch äussern Erregerwechselstrom bewirken. In Fig. 3 ist dargestellt, wie dies z.
B. durch schaltbare Kondensatoren erzielt werden kann, deren Kapazitätsstrom die Ständer wicklung -der Synchronmaschine durchfliesst und hier Amperewindungen erzeugt, die hochmagnetisierend im .Sinne des Permanent feldes des Läufers wirken. Zunächst einmal kompensieren sie dort den nacheilenden ent- maganetisierenden Blindstrom des Netzes.
Sie entlasten dadurch die Ständerwicklung der Synchronmaschine von diesen Blindströmen und bcwirken eine stärkere Ausnutzbarkeit der Maschine. Sie ermöglichen aber auch durch Hineinfliessen überschiessender vor eilender Ma,gnetisierungsströme in die @Stän- derwicklung eine Spannungssteigerung.
Die Regelung an diesen Kondensatoren kann man entweder durch Zu- oder Abschal ten vornehmen oder auch -durch vorgeschal tete Regulierdrosselspulen, etwa mit Gleich- strommagnetisierung zur Einstellung ihrer Selbstinduktion. Man kann auch stetig oder absatzweise regulierbare Kondensatoren be nutzen oder man kann die Kondensatorbat- terien ganz oder zum Teil durch Parallel schaltung von stetig regelbaren Drosselspu len
ergänzen. Auch durch Stromtore oder ähnliche Schaltmittel kann man die Regulie rung des magnetisierenden Kapazitätsstromes vornehmen. Auch hier wird man die Rege lung in Abhängigkeit von der Spannung oder von den Strömen des Netzes durchführen. Die Regelung der Synchronmaschine durch Kapazitäten und Drosselspulen. im Wechsel- stromkreis hat gegenüber der Regelung durch Veränderung ,des Erregerstromes auch den bedeutenden Vorteil, @dass die Dauerkurz schlussströmeder Maschine wesentlich verrin gert werden.
Denn bei Kurzschluss, im Netz verlieren die Kondensatoren und Drosseln ihre Spannung und können daher keine er heblichen Ströme ins Netz liefern, während eine entsprechend verstärkte Gleichstrom- erregung,der ,Synchronmaschine einen antei lig stärkeren Kurzschlussstrom erzeugen würde.
Wenn man die Ankerrückwirkung und die Ilerabdrizckung des Feldes durch Gegen amperewindungen dm :Ständers vermeiden will, so muss man durch die Regulierung der äussern Kapazitätsströme zunächst dafür sor gen, dass- keine nacheilenden Blindströme in den Generator eintreten..
Alsdann bleibt noch die Wirkung .der Selbstinduktion der Anker wicklung übrig, die auch bei Entnahme rei nen Wirkstromes aus dem Generator span- nungserniedrigend wirkt. In Fig. 4a ist das Diagramm der Maschine dargestellt für den Fall reiner Wirkstromentnahme. Dieser Strom J,. in Richtung der Klemmenspannung E erzeugt eine Selbstinduktionspannung Es senkrecht zum Strom,
die von der vom Er regerfeld induzierten innern .Spannung Ei- in Abzug kommt und die Klemmenspannung E als Kathete des rechtwinkligen Dreiecks stets gegenüber der Hypotenuse Ei verklei nert. Günstiger ist es daher, in die Synchron maschine einen äussern Kapazitätsstrom J, hineinfliessen zu lassen.
Wählt man denselben stets proportional dem Wirkstrom J, so kann man erreichen, dass: der gesamte Stän- derstrom J stets in Richtung der innern Spannung E; liegt, wie es in Fig. 4b dar gestellt ist. Dann steht die,Selbstinduktions- spannung stets senkrecht auf Ei und die Klemmenspannung E wächst nun sogar mit zunehmender Belastung an.
Die Bedingung für den innern Kapazitätsstrom ist hierbei
EMI0004.0024
wie mann aus Fig. 4b ohne weiteres entnimmt.
Die Selbstinduktionsspannung E" rührteiner- seits von den Streufeldern der Ständerwick- lung und anderseits von dem wirksamen An- kerrückwirkungsfeld her.
Die-schwache Er höhung der Klemmenspannung nach Fig. 4b mit zunehmender Belastung ist meistens an genehm, um auch äussere Spannungsabfälle zu überwinden. Wünscht man sie nicht, so kann man die Klemmenspannung auch kon stant halten, wenn man den magnetisierbaren Kapazitätsstrom etwa halb so gross einregu liert wie nach der eben genannten Formel, so dass man an Stelle :
der rechtwinkligen Dreiecke in Fig. 4c .gleichschenklige Dreiecke der- Spannung erhält.
An Stelle der in Fig. 3 dargestellten Kondensatoren zur Entlastung von äussern Magnetisierungsströmen und zur Erzeugung von innern Kapazitätsströmen der perma- nentmagnetischen Synchronmaschine kann man natürlich auch andere Mittel zur Blind stromregelung verwenden. Beispielsweise kann man parallel arbeitende Synchrongene ratoren oder Phasenschieber mit Gleichstrom felderregern oder
asynchrone Blindstrom- masehinen mit Kollektorregelung oder Strom- riehterblindstromanordnungen in der glei chen Weise wie die Kondensatoren zur Rege lung der Permanentmaschine, benutzen.
Dies ist dann besonders nützlich, wenn es sich um die Ergänzung eines bestehenden -Kraftwer- kes durch eine neue hochtourige grosse Ma schine handelt, die mit einem rein permanent magnetischen Läufer viel leistungsfähiger, einfacher und mit grösserer Modelleistung herzustellen ist aln die bisherigen Synchron maschinen.
Auch die Regelung durch äussere Blind stromerzeugung kann man in der vielfach bekannten Weise in Abhängigkeit von .der Spannung, dem Strom oder dem Leistungs faktor vornehmen. Sehr einfach wird die Regelung, wenn man als Messgrösse -den Win kel zwischen Strom und Klemmenspannung des Generators wählt, indem man z. B. ein tg <I>a,</I> cos <I>a</I> oder sin <I>a</I> -Instrument als Indika tor für die Spannungsregelung benutzt.
Hält man diesen Winkel gemäss Fig. 4b für alle Belastungen aus dem Netz konstant, so er gibt sich eine mit der Last zunehmende Klemmenspannung. Hält man durch andere Einstellung des Reglers den halben. Winkel konstant, so ergibt sich nach Fig. 4c eine völlig konstante Klemmenspannung des Ge- nerators: Alle vom Netz her etwa sonst noch anfallenden induktiven' oder kapazitiven Blindströme werden dann durch die Regu lierungsanordnung vor dem Eintritt in den Generator abgefangen und annulliert.
Da der Permanentmag netläufer- bei der letztbeschriebenen Ausführungsform wid#:- lungslos ist, so besitzt er nur eine mässige magnetische Zeitkonstante, die lediglich durch die Wirbelstrombildung im schlecht leitenden Eisen gegeben ist. Es ist jedoch wichtig, bei Schaltvorgängen aller Art und besonders bei Kurzschlüssen eine möglichst grosse magnetische Zeitkonstante zu erhalten, damit,das normale Magnetfeld sich während dieser Störungszeit nur möglichst wenig än dert.
Bei Maschinen mit Permanentmagnet läufer ist dies besonders wichtig, da man ja die Blindströme bei Kurzschluss unmöglich durch äussere Mittel voll aufnehmen lassen kann. Die Kurzschlussströme werden daher im Generator Gegenamperewindungen erzeu gen und diese drücken das Magnetfeld herab.
Nach ihrem Verschwinden bleibt daher eine starke dauernde Entmaggnetisierung des Per- manentmagnetstahls zurück. Rüstet man den Läufer aber mit einer so starken Dämpfer- wieklung aus, dass deren. Zeitkonstante we sentlich grösser ist als die Dauer des Kurz schlusszustandes, so bilden sich in ihr durch einfache Transformation.swirkung im Gene rator so lange andauernde Dämpferströme aus,
dass die Kurzschlussankerrückwirkung kaum einen Einfluss auf das Ilauptfeld der Maschine ausübt und dass daher nur eine ge ringfügige Entmagnetisierung eintritt. Da diese Dämpferwicklung beim Fehlen der Erregerwicklung nur sich selbst zu tragen hat, so kann man sie leicht aus gut leitendem Kupfer herstellen und erzielt dadurch eine sehr hohe Läuferzeitkonstante.