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Erregereinrichtung an einem Synchrongenerator zur Konstanthaltung der Wechselspannung desselben Die Erfindung betrifft eine Erregereinrichtung an einem Synchrongenerator zur Konstanthaltung der Wechselspannung desselben.
Es sind Erregereinrichtungen bekannt, bei denen die spannungsabhängige Erregung (Leerlauferregung) über Luftspaltdrosseln und die stromabhängige Erregung (Lasterregung) über Transformatoren geometrisch addiert werden und über Gleichrichter einen eingeprägten Erregerstrom der Erregerwicklung des Generators liefern. Bei dieser Erregereinrichtung wird die Erregung meistens für Nennbetrieb, also für die Nennwerte wie Spannung, Strom, Leistungsfaktor, Drehzahl, Frequenz und Erwärmung, eingestellt. Die erforderliche Erregung für die raagnetische Sättigung bei Nennbetrieb ist dabei berücksichtigt.
Bei magnetisch hoch ausgenützten Maschinen ändert sich aber die magnetische Sättigung der Maschine stark mit dem Leistungsfaktor der Belastung. Dadurch ergibt sich bei dieser Erregereinrichtung als Nachteil eine relativ hohe Spannungsungenauigkeit in den Belastungsfällen, wo der Leistungsfaktor vom Nennwert abweicht. Die einmal eingestellte Erregung kann die verschiedenen Sättigungen der Maschine nicht berücksichtigen und damit die Erregung, die für die Konstanthaltung der Generatorspannung erforderlich ist, nicht mit der erforderlichen Genauigkeit erbringen. Nachteilig können, sich ebenfalls die Spannungsungenauigkeiten bei den Teilbelastungen auswirken, weil der für die Sättigung der Maschine erforderliche Erregungsanteil nicht genau proportional dem Belastungsstrom ist.
Darüber hinaus kann die Erregereinrichtung andere Störgrössen, wie z.B. Abweichungen von der Nenndrehzahl oder Nennerwärmung der Erregerwicklung nicht berücksichtigen. Die Erregereinrichtung ist daher durch die verschiedenartigsten zusätzlichen Feinregulierungen erweitert worden. Alle die bekannten Feinregulierungen regeln den Erregerstrom auf der Wechselstromseite der Erregereinrichtung, d.h. vor den Erregergleichrichtern.
Diese Regelung auf der Wechselstromseite hat insbesondere den Nachteil eines recht erheblichen Materialaufwandes. Wird beispielsweise der Blindwiderstand im Stromkreis der Leerlauferregung geregelt, so benötigt man eine hohe Regelleistung, um in der Summe der geometrischen Addition, also an der Erregerwicklung, die benötigte Regelfähigkeit zu erhalten.
Bei Belastungsfällen mit reiner Wirklast sind die Leerlauferregung und Lasterregung um 90 phasenverschoben. Die Leerlaufkomponente muss dabei oft sehr stark verändert werden und die Steuerwirkung auf den resultierenden Erregerstrom (Polradstrom) ist gering. Daraus ergibt sich, dass in den Fällen, wo die Lasterregung relativ gross gegenüber der Leerlauferregung ist, bei Belastungsfällen mit reiner Wirklast derartige Feinregulierungen die Wechselspannung mit der erforderlichen Genauigkeit nur mit erheblichem Materialaufwand einhalten können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wechselspannung des Synchrongenerators konstant zu halten, unabhängig von der Temperatur der Erregerwicklung, geringen Abweichungen von der Nenndrehzahl bzw. der Nennfrequenz und ungünstigen Verhältnis der spannungs- und stromabhängigen Erregung. Es soll aber auch die Schaltung mit einem geringen Materialaufwand voll funktionsfähig sein.
Dies geschieht erfin- dungsgemäss dadurch, dass sie eine grössere Erregung liefert als für die Konstanthaltung der Generatorwechsel- spannung erforderlich ist, und dass auf der Gleichstromseite der Erregergleichrichter ein parallel zu der Erregerwicklung angeordneter Nebenschlusskreis mittels eines elektronischen Schalters so anschaltbar ist, dass die vom jeweiligen Belastungsfall abhängige,
zuviel gelieferte Erregerleistung der Erregereinrichtung in den Neben- schlusskreis geleitet wird und der Erregerwicklung die zur Konstanthaltung der Generatorwechselspannung erforderliche Erregerleistung zur Verfügung steht.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erregereinrichtung dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 den schematischen Aufbau der Einrichtung, Fig. 2 ein Prinzipschaltbild, Fig. 3 das Erregerdiagramm für die Belastung mit reiner Wirklast, und Fig. 4 das Erregerdiagramm für die Belastung mit reiner Blindlast.
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Mit 1 ist eine Synchronmaschine bezeichnet, die die Wechselspannung erzeugt, während von einem Erregergerät 2 eine lastunabhängige und lastabhängige Erregung geliefert wird.
Diese Erregung wird über eine Gleichrichterschaltung 3, einer Erregerwicklung 4 und dazu parallel einem Widerstand 5 mit einem dazu in Reihe liegenden elektronischen Schalter 6 zugeführt. Der elektronische Schalter 6 wird in Abhängigkeit von der Generatorwechselspannung über ein Messglied 7 und einen Verstärker 8 geschaltet.
Die Wirkungsweise dieser Erregereinrichtung ist folgende: Der vom Erregergerät 2 über die Gleichrichter 3 gelieferte eingeprägte Erregergleichstrom JGL wird einmalig so hoch eingestellt, dass alle vorkommenden Belastungsfälle und Störgrössen, wie Leistungsfaktor, kleinen Abweichungen von der Nenndrehzahl, also von der Frequenz, oder Erwärmung der Wicklungen, von dieser Erregung gedeckt werden können.
Wie aus dem Prinzipschaltbild nach Fig. 2 ersichtlich ist, ist der Gleichrichtergleichstrom JGL für die normalen Belastungsfälle grösser als der für die Konstanthaltung der Generatorwechselspannung erforderliche Erregerstrom Je.
Parallel zu der Erregerwicklung 4 fliesst über den Nebenschlusskreis, der aus dem Widerstand 5 und dem elektronischen Schalter 6 besteht, je nach Belastungsfall ein mehr oder weniger grosser Nebenschluss- strom JF,. Der Nebenschlussstrom Jp ist jeweils immer so gross, dass genau der richtige Erregerstrom Je dem Generator zur Konstanthaltung der Wechselspannung zur Verfügung steht. Der Widerstand 5 und die Schaltfrequenz des elektronischen Schalters 6 werden so gewählt, dass der Erregerstrom Je praktisch ohne Oberwelligkeit bleibt und dadurch keine Schwankungen der Generatorwechselspannung auftreten können.
Als elektronischer Schalter 6 ist ein Schalttransistor vorgesehen. Es können aber auch steuerbare Siliziumzellen verwendet werden. Der elektronische Schalter 6 wird in Abhängigkeit von der Generatorwechselspannung und dem Messglied 7 vom Verstärker 8 geschaltet. Im Messglied 7 wird ein Soll-Istwertvergleich hergestellt. Ist der Spannungssollwert überschritten, bewirkt der Verstärker 8 ein Schliessen des elektronischen Schalters 6, was wiederum eine Verkleinerung des Erregerstromes Je zur Folge hat. Wird hingegen der Spannungssollwert unterschritten, öffnet der Verstärker 8 den elektronischen Schalter 6, mit dem Ergebnis, dass eine Vergrösserung des Erregerstromes Je eintritt.
Dabei wird die Generatorwechselspannung mit hoher Genauigkeit konstant gehalten. Die Spannungsgenauigkeit ist nur abhängig vom Messglied 7, das mit einem frequenzunabhängigen Mess- system ausgestattet ist, so dass die Spannung unabhängig von kleineren Abweichungen von der Nenndrehzahl konstant gehalten wird. Die Erwärmung der Wicklungen hat keinen Einfluss auf die Spannungsgenauigkeit.
Fig. 3 zeigt das Erregerdiagramm für Belastung mit reiner Wirklast, Fig. 4 für Belastung mit reiner Blindlast. Der lastunabhängige Erregerstrom ist mit J", der lastabhängige Erregerstrom mit JL bezeichnet.
Aus den Erregerstromdiagrammen ist zu ersehen, dass die Erregereinrichtung unabhängig vom Verhältnis
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ist und der besondere Vorteil darin besteht, dass die resultie- rende Erregung auf der Gleichstromseite des Gleichrichters unmittelbar am Polrad den Erregerstrom Je be- einflussen kann, der letzten Endes für die Konstanthal- tung der Generatorwechselspannung ausschlaggebend ist.
Es kann der Nebenschlussstromkreis auch parallel zu einem Teil der Generatorerregerwicklung angeordnet sein. Eine solche Anordnung kann in solchen Fällen nützlich sein, wo beispielsweise die halbe Erregerspannung für den elektronischen Schalter günstigere Betriebsverhältnisse erbringt. Der Nebenschlussstromkreis ist aus ohmschen, induktiven oder kapazitiven Widerständen gebildet. Es kann aber auch eine Kombination solcher Widerstände vorgesehen sein, wobei der Nebenschluss- stromkreis aus mehreren parallelen Stromkreisen aufgebaut sein kann.
Die Schaltung des Nebenstromkreises erfolgt, wie bereits erwähnt, mittels elektronischer Schalter, wie z.B. Schalttransistoren und/oder gesteuerten Gleichrichtern in Abhängigkeit von der Generatorspannung oder einer dieser Spannung proportionalen Grösse. Messkreis und Verstärker sind in einer bekannten Schaltung ausgeführt und die Schaltfrequenz des elektronischen Schalters ist zweckmässigerweise so gewählt, dass die Erregerspannung eine möglichst geringe, praktisch vernachlässigbare Oberwelligkeit besitzt und periodische Schwingungen der Generatorspannung vermieden werden können.
Die Erregerleistung der Erregereinrichtung wird so bemessen, dass bei der höchsten geforderten Leistung, der höchsten geforderten Spannung, der niedrigsten geforderten Drehzahl und unabhängig vom Leistungsfaktor die erforderliche Erregung erzeugt wird. Damit wird gewährleistet, dass für jeden Belastungsfall genügend Erregerenergie zur Verfügung steht.
Der Widerstand des oder der Nebenschlusskreise und die Leistung des oder der elektronischen Schalter sind so bemessen, dass bei der niedrigsten geforderten Spannung, bei der höchsten geforderten Drehzahl und vom Leerlauf bis zur geforderten höchsten Generatorleistung unabhängig vom Leistungsfaktor soviel von der zuviel erzeugten Erregerleistung in den Nebenschlusskreis geleitet wird, dass nur die zur Konstanthaltung der Generatorwechselspannung erforderliche Erregung der Erregerwicklung zur Verfügung steht.
Man kann auch einen oder mehrere zusätzliche Gleichrichter wechselstromseitig parallel zum Haupter- regergleichrichter schalten und damit gleichstromseitig den Nebenschlusskreis speisen. Durch eine solche Anordnung kann in bestimmten Fällen der Hauptgleichrichter einer kleineren Typenreihe benutzt werden.
Es kann der Nebenschlusskreis auch nicht zu der ganzen Erregerwicklung parallel geschaltet werden, sondern nur zu einem Teil davon. Man kann beispielsweise alle Erregernordpole und alle Erregersüdpole der Maschine in Reihe schalten, erhält dabei mindestens drei Erregerschleifringe und schaltet z.B. zu den Erregernordpolschleifringen den Nebenschlussstromkreis parallel.