CH336890A

CH336890A - Anordnung zur Spannungsregelung, insbesondere zur Konstanthaltung der Spannung von Synchronmaschinen oder synchronisierten Asynchronmaschinen

Info

Publication number: CH336890A
Authority: CH
Inventors: Scharstein Ernst Ing Dr; Schwab Emil Ing Dr; Lutz Karl Heinz Ing Dr; Harz Hermann Ing Dr
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1953-07-21
Filing date: 1954-06-26
Publication date: 1959-03-15

Description

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Anordnung zur Spannungsregelung, insbesondere zur Konstanthaltung der Spannung von Synchronmaschinen oder synchronisierten Asynchronmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Spannungsregelung, insbesondere zur Konstanthaltung der Nennspannung von Synchronmaschinen oder synchronisierten Asynchronmaschinen, mittels eines Gleichrichters, der die Erregerwicklung der Maschine aus dem Wechselstromnetz speist, wobei der Gleichrichterumspanner einerseits vom Belastungsstrom der Maschine beeinflusst wird und anderseits mit von der Belastung der Maschine unabhängigen Scheinwiderständen in Reihe geschaltet ist.

Erfindungsgemäss ist das Erregerzubehör so ausgewählt und geschaltet, dass die von diesem im Gleichrichterumspanner hervorgerufenen Erreger- Amperewindungen unter einem solchen Winkel den lastabhängigen Amperewindungen im Gleichrichterumspanner überlagert werden, dass der Summen-Er- regerstrom mindestens angenähert den Sollwerten des Erregerstromes zwischen zwei oder mehr Werten des Leistungsfaktors entspricht.

Die Erfindung soll anhand der in den Fig. 1 bis 9 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.

Man wird beispielsweise versuchen, die Klemmenspannung für Nennstrom bei cos T, = 0.,8 und cos (, = 1,0 und die Leerlaufklemmenspannung genau gleich der Nennspannung zu machen. Es sind zunächst die diesen Betriebszuständen entsprechenden Erregerströme (iL, il,), i0,8) zu ermitteln, wobei die Rückwirkung des Erregerzubehörs zu berücksichtigen ist. Die lastabhängigen Amperewindungen werden entsprechend Fig. 1 in einem beliebigen Massstab als Strecken 1-2 und 1-3 aufgetragen.

Beim Übergang von dem Leistungsfaktor cos cp = 1,0 auf cos 99 = 0,8 schliessen die Amperewindungen einen bestimmten Winkel ein. Es besteht jetzt die Aufgabe, die Leerlaufamperewindungen in einer solchen Lage und rela- tiven Grösse einzufügen, dass die Strecken 1-4, 2-4, 3-4 im Verhältnis der vom Generator unter den gestellten Bedingungen benötigten Erregerströme 'L, i1,0 und io,R stehen.

Der geometrische Ort der Spitzen aller Dreiecke über eine gegebene Strecke a, deren Seiten in einem konstanten Verhältnis 7, stehen, ist ein Kreis, dessen Mittelpunkt auf der Verlängerung dieser Strecke liegt, und zwar im Abstand
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von dem einen Dreieckpunkt und dessen Radius
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ist. Die Konstante A, bezeichnet hierbei das Verhältnis der beiden an der Strecke a anliegenden Seiten des in Frage kommenden Dreiecks. Durch zweimalige Anwendung dieses Satzes, z. B. für 1-2 und 1-3, erhält man 4 als einen Schnittpunkt zweier Kreise.

Jedes Dreieck 41, 2, 4 bzw. 41, 3, 4 der Fig. 1 stellt vek- toriell die Gleichung dar:
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AWN + A W, = A Wmaö"et = A WL cos 99 = 1,0 1-2 2-4 1-4 cos c@ = 0,8 1-3 3-4 1-4 Belastung durch Erregung Magnetisierende Leerlauf Netzstrom AW-Zahl AW

Von den zwei Kreisschnittpunkten ist der als günstiger auszuwählen, der näher der normalen Lage mit a = 90 ist.

Die Grösse der Strecke 1-4 ergibt zusammen mit dem bekannten Leerlauferregerstrom den Amperewindungsmassstab, der Winkel a zwischen 1-2 und 1-4 den erforderlichen Phasenverschie- bungswinkel der lastunabhängigen Amperewindungen gegen die Klemmenspannung an. In dem in Fig. 1. dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieser Winkel um einen geringen Betrag grösser als 90 . Um diesen Phasenverschiebungswinkel zu erreichen, werden als Scheinwiderstände Drosseln in Sternschaltung und Ohmsche Widerstände verwendet.

In manchen Fällen wird es vorkommen, dass der Phasenverschiebungs- winkel kleiner als 90 oder etwa gleich 90 ist.

Beträgt der Winkel etwa 60 , dann werden die Scheinwiderstände nach Fig.2 geschaltet. 5 ist der Synchrongenerator, dessen Spannung bei verschiedenen Leistungsfaktoren genau gleich gehalten werden soll. Die Erregerwicklung 6 wird über die Gleichrichter 7 von dem Gleichrichtertransformator 8 gespeist. Die Primärwicklungen 9 des Transformators liegen mit den Drosseln 10 in Reihe, die über ebenfalls in Reihe liegende Ohmsche Widerstände 11 in Dreieck geschaltet sind. Die Drosseln liegen an verketteten Spannungen, die je nach Schaltung den entsprechenden Phasenspannungen um 30 vor- oder nacheilen.

Damit drehen sich gegenüber der Sternschaltung auch die lastunabhängigen Amperewin- dungen. Der genaue Winkel a wird durch entsprechende Bemessung der Widerstände erreicht.

Ist ein Phasenverschiebungswinkel a erforderlich, der um einen geringen Betrag kleiner als 90 ist, dann wird eine Schaltung nach Fig. 3 gewählt. Hier sind Kondensatoren 12 in Sternschaltung mit zu den Kondensatoren parallel geschalteten hochohmigen Widerständen 13 verwendet. Diese Schaltung ist günstig, wenn die Maschine bei kleinem induktivem Leistungsfaktor betrieben wird, da in diesem Falle der Maschi- nenleistungsfaktor durch die Kondensatoren etwas verbessert und die Erregerleistung etwas verringert wird.

Für einen Phasenverschiebungswinkel von etwa 90, ist eine Schaltung nach Fig. 4 besonders günstig. Hier sind für jede Phase ein Kondensator 14 und eine Drossel 15 parallel geschaltet und arbeiten auf zwei gegeneinandergeschaltete Wicklungen 16 und 17 am Gleichrichtertransformator. Diese Schaltung ist bei a = 90 von Vorteil, wenn Drossel und Kondensator in Resonanz liegen.

Der richtige Winkel zwischen lastunabhängigen Erreger-Amperewindungen und Klemmenspannung kann auch durch entsprechende Schaltung der zugehörigen Wicklungen des Gleichrichterumspanners erreicht werden. Dies kann zum Beispiel in der Weise erfolgen, dass man den lastunabhängigen Erregerstrom zwei in Reihe geschalteten Wicklungen des Gleichrichterumspanners zuführt, von denen die eine offene und die andere Dreieck- oder Zickzackschaltung aufweist und die so miteinander verbunden sind, dass die von den beiden bewirkten Anteile im Erregerstrom miteinander senkrecht stehen. Durch Anzap- fungen an beiden Wicklungen kann man den Summenstrom beider Anteile jede beliebige Grösse und Phasenlage geben.

Eine solche Schaltung zeigt beispielsweise Fig. 5. 5 ist wiederum die an ein Drehstromnetz angeschlossene Synchronmaschine, 6 die Erregerwicklung und 7 die Gleichrichter. Die Wechselstromanschlüsse der Gleichrichter sind an die Sekundärwicklung 18 eines Transformators angeschlossen. Für dessen Erregung dienen die Primärwicklung 20 und die aus zwei Teilen bestehenden Primärwicklungen 21 und 22. Die Primärwicklung 20 ist, gegebenenfalls über einen Zwi- schenwandler, mit der Ständerwicklung der Synchronmaschine in Reihe geschaltet. Sie wird also von dem Belastungsstrom der Synchronmaschine erregt. Die Primärwicklungen 21 und 22 liegen in Reihe über die Drosselspule 23 an der Netzspannung. Sie liefern den von der Belastung unabhängigen Erregerstromanteil.

Zur Erzwingung eines von 90 abweichenden Phasenverschiebungswinkels zwischen den in den Wicklungen 21 und 22 erzeugten Erreger-Ampere- windungen und der Klemmenspannung der Maschine sind nun die Erregerwicklungen 21 und 22 nicht gleichphasig, sondern so in Reihe geschaltet, dass die von ihnen hervorgerufenen Amperewindungen um 90 gegeneinander verschoben sind. Dies ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 dadurch erreicht, dass die Erregerwicklungen 21 offen, die Erregerwicklungen 22 in Reihe geschaltet sind und bei der Reihenschaltung beider Wicklungen die Anschlüsse kreisläufig vertauscht sind.

Ausserdem sind die Wicklungen 21 und 22 je mit regelbaren Anzapfungen ausgerüstet, so dass man die aufeinander senkrecht stehenden Anteile der Amperewindungen unabhängig voneinander regeln kann. Gemäss dem Zeigerbild der Fig.6 wird dadurch erreicht, dass der spannungsabhängige Grundanteil der Erregung OS' um einen Winkel ss gegenüber einer Erregung OS nacheilt, bei der die Wicklungen 21 und 22 durch eine einzige normale, in Stern geschaltete Wicklung ersetzt sind,. wobei die Erreger-Amperewindungen dieser einzigen Wicklung infolge der Vorschaltung der Drosselspulen 23 -um nahezu 90 gegenüber der Klemmenspannung verschoben sein würden.

Der Kondensator 24 ist auf Resonanz mit der Drosselspule 23 bei einer bestimmten Drehzahl abgestimmt und hat die Aufgabe, die Selbsterregung durch denRestmagnetismus einzuleiten.

Bei der Schaltung nach Fig. 7 ist die wiederum in Dreieck geschaltete Erregerwicklung 22 mit der vorgeschalteten Erregerwicklung 21 gegenüber der Schaltung nach Fig. 5 mit entgegengesetzter kreisläufiger Vertauschung der Anschlüsse verbunden. Das hat zur Folge, dass gemäss dem Zeigerbild der Fig. 8 der Gesamtanteil 0S" der spannungsabhängigen Erreger-Amperewindungen um einen Winkel kleiner als 90 gegenüber der Klemmenspannung der Maschine verschoben ist bzw. gegenüber der Erregung OS um einen Winkel ss voreilt, während nach Fig. 6 die Er-

regung 0.S' um etwa denselben Winkel gegenüber OS nacheilt.

Auch durch Zickzackschaltung der beiden Teilwicklungen 21 und 22 lässt sich die geschilderte, von 90 abweichende Verschiebung der spannungsabhängigen Erreger-Amperewindungen gegenüber der Klemmenspannung der Maschine erzielen. Die überlagerung des lastunabhängigen und lastabhängigen Anteils kann auch statt in einem in zwei Umspannern vorgenommen werden.

Der richtige Winkel zwischen den lastunabhängigen und den lastabhängigen Erreger-Amperewindun- gen kann auch dadurch erreicht werden, dass die Transformatorwicklung mit dem lastabhängigen Erregerstrom in zwei Teilwicklungen aufgeteilt wird und diese entsprechend geschaltet werden.

Um den Strom in dem Kreis, in dem die Transformatorwicklung zur Erzeugung einer lastunabhängigen Erregerkomponente mit einem Scheinwiderstand in Reihe geschaltet ist, ohne Rücksicht auf den Belastungszustand der Hauptmaschine, möglichst konstant zu halten, muss die Scheinleistung des Blindwiderstandes mehr als das Achtfache der Leerlauferregerleistung betragen. Ist das Verhältnis Selbsterregerstrom : Leerlauferregerstrom grösser als zwei, dann muss der Blindwiderstand noch grösser bemessen werden. Dadurch wird die Maschine erheblich mit Blindleistung vorbelastet und der Betrieb unwirtschaftlich gestaltet.

Es wurde nun erkannt, dass es nicht erforderlich ist, den Strom, der die lastunabhängige Komponente liefern soll, möglichst konstant zu halten, so dass es möglich ist, den Scheinwiderstand kleiner zu bemessen. Nach einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die Scheinleistung des Scheinwiderstandes zweckmässig das 0,4- bis 7fache der Leerlauferregerleistung. Aus wirtschaftlichen Gründen wird man jedoch zweckmässig nicht über die 4fache Leerlauferregerleistung für die Bemessung des Scheinwiderstandes hinausgehen, anderseits wird man die Scheinleistung nicht extrem klein wählen, da sich sonst eine Schwankung des Erregerwicklungswiderstandes zum Beispiel durch Erwärmung verhältnismässig stark bemerkbar macht.

Man wird daher den Scheinwiderstand am besten so bemessen, dass die Scheinleistung bei kondensatorloser Schaltung das 2- bis 4fache der Leerlauferregerlei- stung beträgt.

Bezeichnet man bei der in Fig.9 dargestellten kondensatorlosen Schaltung das Verhältnis der Win- dungszahl der Primärwicklung 25 des Gleichrichtertransformators 26 zu der Windungszahl der Wicklung 27 mit p und das Verhältnis der Windungszahl der Wicklung 28 zu der Windungszahl der Wicklung 27 mit s, den Scheinwiderstand 29 mit 3, dann ergibt sich aus dem Amperewindungsgleichgewicht und der Spannungsgleichung im Drosselkreis ein Erregerstrom:
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dabei bedeuten:

1I Generatorphasenspannung, R Erregerwicklungswiderstand auf die Wechselstromseite des Gleichrichters reduziert, @1 Generatorstrom, der auch die Wicklung 28 durchfliesst.

Der Nenner der Gleichung besteht aus einer Kombination konstanter Widerstandsgrössen und ist daher konstant. Der Zähler der Gleichung setzt sich aus einem von der Spannung und einem vom Belastungsstrom abhängigen Anteil zusammen. über die Grösse oder die Konstanz des Stromes im Drosselzweig ist nichts vorausgesetzt.

Für kondensatorlose Schaltungen ergibt sich für die verlustlose Drossel ein Höchstblindwiderstand von
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wobei -L der Leerlauferregerstrom ist. Die Mindest- scheinleistung ist demnach gleich der Leerlauferreger- leistung. Der Einfluss der Widerstandsschwankung bei kleiner Drosselleistung kann auch dadurch ausgeschaltet werden, dass man zusätzlich Kondensatoren verwendet, wie es an sich für die Erleichterung des Einsetzens der Selbsterregung bekannt ist.

Man kommt dann mit noch kleineren Drosselleistungen aus, wenn man die Kondensatoren bei Nennfrequenz ungefähr auf Resonanz mit der Drossel abstimmt. Eine untere Begrenzung ist hier durch die bei kleiner werdender Drosselleistung immer stärker ins Gewicht fallenden Verluste der Drosselwicklung gezogen. Unter Berücksichtigung dieses Umstandes ergibt sich als unterster Wert für die Drossel- und Kondenatorlei- stung etwa die 0,4fache Leerlauferregerleistung. Der Aufwand für die Schaltung kann damit erheblich verringert werden.

Ausserdem ergibt sich für den Generator eine wesentlich geringere Vorbelastung durch die Blindleistung und damit für eine bestimmte Generatortype eine grössere nutzbare Leistung.

Claims

PATENTANSPRUCH Anordnung zur Spannungsregelung, insbesondere zur Konstanthaltung der Spannung von Synchronmaschinen oder einer synchronisierten Asynchronmaschine mittels eines Gleichrichters, der die Erregerwicklung aus dem Wechselstromnetz speist, wobei der Gleichrichterumspanner einerseits vom Belastungsstrom der Maschine beeinflusst wird und anderseits mit von der Belastung der Maschine unabhängigen Scheinwiderständen in Reihe geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Erregerzubehör so ausgewählt und geschaltet ist,

dass die von diesem im Gleichrichterumspanner hervorgerufenen Erreger-Ampere- windungen unter einem solchen Winkel den lastabhängigen Amperewindungen im Gleichrichterumspan- ner überlagert werden, dass der Summen-Erreger- strom mindestens angenähert den Sollwerten des Erregerstromes zwischen zwei oder mehr Werten des Leistungsfaktors entspricht. <Desc/Clms Page number 4> UNTERANSPRÜCHE 1. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der erforderliche Phasenverschiebungswinkel (a) durch entsprechende Bemessung und Schaltung der Scheinwiderstände erzielt ist. 2.

Schaltungsanordnung nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, um einen Phasenver- schiebungswinkel (a) zu erhalten, der um einen geringen Betrag grösser ist als 90 , als Scheinwiderstände Drosseln in Sternschaltung und Ohmsche Widerstände verwendet sind. 3. Schaltungsanordnung -nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, um einen Phasenver- schiebungswinkel (a) von etwa 60 zu erhalten, als Scheinwiderstände Drosseln in Dreieckschaltung und Ohmsche Widerstände verwendet sind. 4.

Schaltungsanordnung nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, um einen Phasenver- schiebungswinkel (a) von etwa 60 zu erhalten, als Scheinwiderstände Kondensatoren in Dreieckschaltung und Ohmsche Widerstände verwendet sind. 5. Schaltungsanordnung nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, um einen Phasenver- schiebungswinkel (a) von etwa 120 zu erhalten, als Scheinwiderstände Drosseln in Dreieckschaltung und Ohmsche Widerstände verwendet sind. 6.

Schaltungsanordnung nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, um einen Phasenver- schiebungswinkel (a) von etwa 120 zu erhalten, als Scheinwiderstände Kondensatoren in Dreieckschaltung und Ohmsche Widerstände verwendet sind. 7. Schaltungsanordnung nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, um einen Phasenver- schiebungswinkel (a) zu erhalten, der nur um einen geringen Betrag kleiner als 90 ist, als Scheinwiderstände Kondensatoren in Sternschaltung mit Ohmsehen Widerständen in Reihenschaltung verwendet sind. B.

Schaltungsanordnung nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, um einen Phasenver- schiebungswinkel (a) zu erhalten, der um einen geringen Betrag kleiner als 90 ist, als Scheinwiderstände Kondensatoren in Sternschaltung mit Ohm- sehen Widerständen in Parallelschaltung verwendet sind. 9. Schaltungsanordnung nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, um einen Phasenver- schiebungswinkel (a) von etwa 90 zu erhalten, für jede Phase eine Drossel und ein Kondensator parallel geschaltet sind und mit zwei gegeneinandergeschal- teten Wicklungen auf den Gleichrichtertransformator arbeiten. 10.

Schaltungsanordnung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Transformator- wicklungen aus mehreren Teilwicklungen besteht, die so geschaltet sind, dass ihre Amperewindungen um einen bestimmten Winkel verschoben sind. 11. Schaltungsanordnung nach Unteranspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformatorwick- lung mit dem lastunabhängigen Erregerstrom aus zwei Teilwicklungen besteht, die so geschaltet sind, dass ihre Amperewindungen um einen bestimmten Winkel verschoben sind. 12. Schaltungsanordnung nach Unteranspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Amperewindungen der Teilwicklungen um 90 verschoben sind. 13.

Schaltungsanordnung nach Unteranspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilwicklungen regelbar sind. 14. Schaltungsanordnung nach Unteranspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformatorwick- lungen mit dem lastabhängigen Erregerstrom aus zwei Teilwicklungen bestehen, die so geschaltet sind, dass ihre Amperewindungen um einen bestimmten Winkel verschoben sind. 15. Schaltungsanordnung nach den Unteransprüchen 11 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass von den beiden Teilwicklungen die eine offene, die andere Dreieckschaltung aufweist und unter kreisläufiger Vertauschung ihre Verbindungsleitungen so in Reihe geschaltet sind, dass die von ihnen erzeugten Ströme um 90 verschoben sind. 16.

Schaltungsanordnung nach den Unteransprüchen 11 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass von den beiden Teilwicklungen die eine offene, die andere Zickzackschaltung aufweist und unter kreisläufiger Vertauschung ihre Verbindungsleitungen so in Reihe geschaltet sind, dass die von ihnen erzeugten Ströme um 903 verschoben sind. 17. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die überlagerung der beiden Erregerströme mit Hilfe mindestens eines Umspanners vorgenommen wird. 18. Schaltungsanordnung nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheinleistung des Scheinwiderstandes das 0,4- bis 7fache der Leerlauf- erregerleistung beträgt. 19.

Schaltungsanordnung nach Unteranspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheinleistung bei kondensatorloser Schaltung das 2- bis 4fache der Leerlauferregerleistung beträgt. 20. Schaltungsanordnung nach Unteranspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass als Scheinwiderstand eine Drossel vorgesehen ist und ausserdem Kondensatoren angeordnet sind, die bei Netzfrequenz etwa auf Resonanz mit der Drossel abgestimmt sind, und die Drosselleistung das 0,4- bis 3fache der Leerlauferre- gerleistung beträgt.