Einrichtung zur kompoundierten Erregung eines Synchrongenerators Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur kompoundierten Erregung eines Synchrongenerators, vorzugsweise zur Erzielung einer konstanten Spannung.
Es sind bereits mehrere Einrichtungen bzw. Schal tungen bekanntgeworden, bei denen ein Erregungs transformator verwendet wird, in dem eine strom- und eine spannungsproportionale Durchflutung vektoriell addiert werden und der entsprechende Sekundärstrom über Gleichrichter dem Erregerkreis der Maschine zu geführt wird. An einer sehr bekannten Einrichtung dieser Art (Dr. Harz) ist der primären Spannungs wicklung des Erregertransformators ein Kondensator parallel- und beiden zusammen eine Drossel vorge schaltet.
Zwecks Erläuterung des Standes der Technik ist die Funktion eines solchen Gerätes an einem Aus führungsbeispiel an Hand der Fig. 1 und 2 der Zeich nung im folgenden ausführlicher dargelegt, und zwar zeigt die Fig. 1 die Schaltung eines solchen Gerätes und die Fig.2 das dazugehörige grundsätzliche Vektor- Diagramm. 1 bedeutet darin den Generator, der über einen Erregungsgleichrichter 2 mit dem erforderlichen Erregerstrom gespeist wird. 3 stellt den von dem Gene rator gespeisten Verbraucher dar.
Der Gleichrichter 2 ist an die Sekundärwicklung wE des Erregungstrans formators 6 angeschlossen, dessen Primärseite von der Spannungswicklung wu und der Stromwicklung wJ gebildet wird. In dem Stromkreis der Spannungs wicklung wu liegt die Drossel 4, und parallel zu der Spannungswicklung wu ist der Kondensator 5 ge schaltet. UG bedeutet ferner die Generatorklemmen- spannung und Uv die Verbraucherspannung.
Mit JG ist der Generatorstrom, mit Jv der Verbraucherstrom und mit JE der dem Gleichrichter zugeführte Erreger strom bezeichnet.
Wenn sich bei einem solchen Erregungsgerät die Drossel 4 mit dem Kondensator 5 in Resonanz befin det, so kann bei Vernachlässigung des Ohmschen Widerstandes der Drossel 4 der aufgedrückten Span nung Üv nur durch einen Strom JU das Gleichgewicht gehalten werden, der nicht durch die Drossel 4 und den Kondensator 5 fliesst, sondern durch die Drossel 4 allein und dort einen induktiven Spannungsabfall des Betrages Uv hervorruft.
Somit muss dieser der Span nung Üv proportionale und um 90 nacheilende Magnetisierungsstrom JU als eingeprägter Strom durch die primäre Spannungswicklung wu des Transfor mators 6 fliessen. Durch die zweite Primärwicklung wJ dieses Transformators fliesst der Generatorstrom JG, also ebenfalls ein eingeprägter Strom.
Wäre der Transformator 6 ein idealer Stromwandler, so würde seine Sekundärwicklung wF, einen Erregerstrom JE abgeben, der für eine Übersetzung 1:1:1 gemäss Fig. 2 die Vektorsumme von JG und JU wäre, wie es unter gewissen vereinfachenden Voraussetzungen die Erre gung für konstante Spannung erfordert.
Der Erreger strom JE bliebe dann von der Bürde dieses Strom wandlers, gebildet aus der Erregerwicklung des Gene- rators 1, dem Gleichrichter 2 und bei Innenpolmaschi- nen auch noch von dem Bürstenübergangswiderstand an den Schleifringen unabhängig, was für eine zuver lässige Selbsterregung und Temperaturunabhängigkeit der Generatorspannung erforderlich ist.
Um den Transformator 6 mit den notwendigen Stromwandler eigenschaften zu versehen, ist er, wie jeder Strom wandler, gegenüber einem Leistungstransformator gleicher Nennleistung überzudimensionieren, was durch Parallelschaltung eines in Fig. 1 gestrichelt eingezeich neten Kondensators 7 ergänzt werden kann. Will man aber mit Rücksicht auf die Erregerwicklung die Erre gerspannung niedrig halten, so wird der Kondensator 7 gross und schwer.
Zur Erzielung von Spannungskon stanz in einem gewissen Frequenzbereich und zwecks besserer Anpassung an jene Generatoreigenschaften, die im Erregungsvektordiagramm nach Fig. 2 nicht berücksichtigt sind, wird hierbei die Resonanzfrequenz öfters unter die Nennfrequenz verlegt. Ein solches Erregungsgerät ist in mehrfacher Hinsicht unvorteil haft. Einmal hat es einen viel zu hohen Raum- und Gewichtsbedarf. Ferner wird durch Blindstromauf- nahme die Selbsterregung erschwert und die Erreger leistung des Generators erhöht. Ausserdem sind bei Innenpolgeneratoren Schleifringe erforderlich.
Im folgenden wird nun eine dem gleichen Zweck dienende Einrichtung gezeigt, welche die genannten Nachteile nicht besitzt.
Das erfindungsgemässe Erregungsgerät ist in der Weise ausgebildet, dass in mindestens einer Phase der primären Spannungswicklung des Erregungstransfor mators ein kapazitives Element vorgeschaltet ist. Der Erregungstransformator und das kapazitive Element sind dabei vorzugsweise so bemessen, dass die Span nungsresonanz zwischen diesen beiden Elementen bei Betriebsfrequenz auftritt. Primäre Stromwicklungen des Erregungstransformators können hierbei ent gegengesetzt zu primären Spannungswicklungen gepolt sein. Der Erregungstransformator ist ferner vorteilhaft als Luftspalttransformator (analog einer Luftspalt drossel) ausgebildet.
Ein solches Erregungsgerät hat den Vorteil, dass es einfacher und billiger in der Her stellung ist und ausserdem Blindleistung abgibt, wo= durch die Selbsterregung des Generators gefördert und dessen Erregerleistung vermindert wird. Ferner können gegebenenfalls bei Innenpolmaschinen Schleif ringe vermieden werden.
Eine weitere zweckmässige Ausbildung der erfin dungsgemässen Erregungseinrichtung besteht darin, dass der Erregertransformator nach Art einer Induk tionsmaschine ausgeführt ist, deren Läufer mit der zu erregenden Maschine gekuppelt ist und eine Wicklung trägt, die über mitrotierende Gleichrichter die Erreger wicklung speist. Dadurch lassen sich folgende Vorteile erzielen: Werden mehrphasige Ständerwicklungen desTrans- formators so angeschlossen, dass sich die von ihnen er zeugten Drehfelder im Gegensinn zum Läufer bewegen, so wird ein Teil der sekundär abgegebenen Erreger- Leistung mechanisch erzeugt und dadurch der Primär kreis entlastet.
Diese Entlastung, d. h. Verminderung der auf der Primärseite elektrisch aufzubringenden Leistung, wird um so grösser, je höher die relative Drehfrequenz zwischen Ständer und Läufer des erfin dungsgemässen Erregertransformators ist und kann daher durch Erhöhung der Polzahl gegenüber der der zu erregenden Maschine gesteigert werden. Die Sekundärwicklung (Läuferwicklung) gibt dann eine gegenüber der Primärfrequenz entsprechend erhöhte Frequenz ab, was die Glättung des gleichgerichteten Erregerstromes begünstigt. Werden - z.
B. bei Ein phasengeneratoren - die Primärwicklungen des erfin dungsgemässen Erregertransformators einphasig ge speist, erzeugen also ein räumlich stillstehendes Wechselfeld, so kann der Läuferwicklung ein symme- trischer, also von gegenläufigen Komponenten freier Mehrphasenstrom entnommen werden, sofern die Pol zahlen von Transformator und zu erregender Maschine gleich gross sind. Diese Phasenwandlung zwischen Ständer und Läufer ist hinsichtlich der Welligkeit des E gleichgerichteten Erregerstromes sehr vorteilhaft.
Wie leicht abgeleitet werden kann, bleibt bei pri märer Spannungsresonanz des Erregertransformators mit den vorgeschalteten Kondensatoren auch bei der erfindungsgemässen, mit Frequenz- bzw. Phasenwand- s lung arbeitenden und einen Teil der Erregerleistung mechanisch zugeführt erhaltenden Ausbildung des Transformators der Vorteil bestehen, dass der Sekun därstrom als eingeprägter, d. h. vom Widerstand seines Kreises unabhängiger Strom fliesst, wodurch die Generatorerregung temperaturunabhängig erfolgt.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Erregungseinrichtung ist wieder in Verbindung mit einem Einphasengenerator in Fig. 3 und das dazu gehörige grundsätzliche Vektordiagramm in Fig. 4 dar gestellt. Wie man hieraus ersieht, entfallen hierbei die Kondensatoren 5 und 7 sowie die Luftspaltdrossel 4 der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Schaltung. An ihre Stelle treten der Seriekondensator 8 und das induktive Element des Resonanzkreises.
Es wird durch den Drei wicklungstransformator 9 gebildet, von dem im Gegen satz zum Transformator 6 in Fig. 1 keinerlei Strom wandlereigenschaften verlangt werden. Mit Rücksicht auf die Resonanz sowie aus einem später noch erläu terten Grunde ist der Transformator 9 meist als Luftspalttransformator ausgebildet. Bei den folgenden Ausführungen wird der Ohmsche Widerstand der Wicklung wu nicht berücksichtigt. Die Wirkwider stände der beiden anderen sowie die Streureaktanzen aller drei Wicklungen des Transformators sind im übrigen grundsätzlich ohne Einfluss.
Befindet sich der einen kapazitiven Widerstand dar stellende Kondensator 8 mit der Leerlaufreaktanz der Wicklung wu in Resonanz, so kann ein Strom, der durch diese beiden Elemente fliesst, keine EMK erzeu gen, die Üv das Gleichgewicht hält, was ja das Wesen der Spannungsresonanz ist. Deshalb muss die Wirkung jenes Magnetisierungsstromes ju, den die Wicklung wu ohne vorgeschalteten Kondensator aufnehmen würde, von den beiden anderen Wicklungen wj und wF, aufgebracht werden.
Bei Annahme eines Über setzungsverhältnisses 1:1:1 bedeutet dies, dass die Vektorsumrne der beiden anderen Wicklungsströme den Magnetisierungsstrom ju ergeben muss. Da nun durch die Wicklung wj der eingeprägte Strom -JG fliesst, so muss der Strom durch die Wicklung ivE der Vektorgleichung JE -f- (-J(;) = JU genügen, d. h. es ist die Erregerstromgleichung <I>JE = JU</I> 'i- <I>JG</I> erfüllt, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.
Während es bei der anfangs beschriebenen Schaltung von den Strom- wandlereigenschaften des Erregertransformators ab hängt, ob und wie weit diese Gleichung gilt, ist sie hier bei Resonanz und widerstandsfreier Wicklung wu streng und vollkommen unabhängig von den Wider ständen im Erregerkreis erfüllt. Der besondere Effekt einer solchen Schaltung besteht darin, dass im Reso nanzfall nicht nur der Magnetisierungsstrom ju (ge mäss dem an sich bekannten Boucherot-Effekt), sondern auch der Strom JG dem Sekundärkreis aufge zwungen wird, obwohl zwischen dem Primärkreis JG und dem Kondensator 8 gar keine Resonanz herrscht.
In der Fig. 5 ist nun ein Vektorbild der Spannungen, Ströme und Durchflutungen für allgemeine Über setzungsverhältnisse bei Resonanz und Vernachlässi gung des Wirkwiderstandes von wu sowie der Trans formatoreisenverluste bei einem erfindungsgemässen Erregungsgerät dargestellt.
Der Spannungsvektor Üv erfordert dabei eine von den Wicklungen wa und WE aufzubringende Durchflutung Öuv. Da ivi den einge prägten Durchflutungsvektor OJG 1I JG liefert, muss WE zur Ergänzung den Durchflutungsvektor 0E erzeugen. Hierzu ist eine Spannung ÜE erforderlich, die infolge des Streuspannungsabfalles in WE dem Strom mehr oder weniger voreilt.
Zur Erzeugung von 1'IE muss der Transformator eine der Spannung UE um 90 vor eilende Gesamtdurchflutung ORes führen. Da die Durchflutungsvektoren der Wicklungen wJ und wE schon festliegen (OjG und 0E), so muss ihre Summe Üuv durch den Durchflutungsvektor Öl der Span nungswicklung wu auf ÖRee ergänzt werden.
Der Durchflutungsvektor Öl bedingt den von der Span nungswicklung wu aufgenommenen Strom j1, der im allgemeinen gegen Üv und UE ausgeprägt kapazitiv ist, also dem Generator Blindleistung zuführt. Der Vektor J, bildet die Vektordifferenz zwischen dem Generator strom JG und dem Verbraucherstrom iv und trägt zum Spannungsgleichgewicht hinsichtlich Uv nichts bei.
Dagegen wird in der Wicklung wi die in Gegenphase zu ÜE liegende Spannung TTl induziert, da wi und WE gegensinnig angeschlossen sind. Die Spannung f, bildet dabei die vektorielle Differenz zwischen Üv und ÜG. Bei Berücksichtigung des Ohmschen Widerstandes der Wicklung wU tritt zum Differenzvektor ZIl noch ein in Gegenphase zu J1 liegender Ohmscher Abfall hinzu.
Das nach Fig. 3 geschaltete Erregungsgerät wird mit der Verbraucherspannung Uv und dem Generator strom J gespeist. Erfindungsgemäss kann das Gerät auch mit der Generatorspannung JG und dem Ver braucherstrom Jv gespeist werden. Zwischen diesen beiden extremen Fällen kann ein Ausgleich geschaffen werden, indem gemäss der Erfindung die Stromwick lung wi in beliebigem Verhältnis unterteilt und die Spannungswicklung wu an den zwischen den beiden Teilwicklungen wal und waz liegenden Anzapfungs- punkt angeschlossen werden.
Eine solche Schaltung des Erregungsgerätes ist in der Fig. 6 der Zeichnung dar gestellt.
In manchen Fällen kann ferner die Erregungsein richtung gemäss der Erfindung auch so ausgebildet sein, dass Wicklungen des Erregungstransformators min destens teilweise zu einer Sparschaltung vereinigt sind. So kann z. B. die Stromwicklung wi mit der Sekundärwicklung WE des Erregungstransformators zu einer Sparschaltung vereinigt sein. Auch bei dieser in Fig. 7 dargestellten Sparschaltung ist der in Fig. 6 ge zeigte Anschluss der Wicklung wu an eine Anzapfung der Wicklung wi möglich.
Mit Rücksicht auf Frequenzgang und Generator anpassung kann ebenso wie bei der vorbekannten Erregungsschaltung auch bei der vorgeschlagenen Erregungsschaltung die Resonanzfrequenz mehr oder weniger von der Nennfrequenz abweichend festgelegt werden. Durch passende Bemessung des Ohmschen Widerstandes im Kreise der Wicklung wu sowie gegebenenfalls durch Parallelschaltung einer mit Ohm- schem Widerstand behafteten Drossel zum Konden sator 8 kann die Anpassung des Erregergerätes an den Generator verbessert, d. h. beispielsweise bei Frequenz abweichungen eine ausreichende Spannungskonstanz erzielt werden.
Eine weitere Beeinflussungsmöglichkeit ist ferner noch durch die Sättigungsgrenze des Trans formators 9 gegeben, bei deren Überschreitung - d. h. von einer gewissen Erregerspannung UE aufwärts - die Resonanzfrequenz mit wachsendem Erregerstrom JE zunimmt.
Bei Ausbildung des Transformators 9 als Luftspalt transformator kann ferner dieser Transformator in an sich bekannter Weise mit rotierendem Sekundärteil und ruhendem Primärteil ausgeführt sein. Es können dann bei Innenpolmaschinen Schleifringe dadurch ver mieden werden, dass die Wicklungen wu bzw. wi ruhen, während die Wicklung wF, sowie der Gleich richter mit dem Läufer rotieren.
In dem Ausführungsbeispiel ist die Erfindung in Verbindung mit Einphasenmaschinen dargestellt; das Erregungsgerät kann aber auch ohne weiteres nach dem gleichen Prinzip mehrphasig ausgebildet sein.