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Anordnung zur Sicherstellung der Selbsterregung bei Synchronmaschine.
mit lastabhängiger Gleichrichtererregung in Stromschaltung Es sind Synchronmaschinen
mit lastabhängiger Gleichstromerregung bekannt, die über Gleichrichter und einen
Erregerstromwandler in Stromschaltung unmittelbar oder mittelbar lastabhängig erregt
werden. Der Erregerstrom solcher Synchronmaschinen setzt sich aus einem konstanten,
der Netzspannung verhältnisgleichen Grunderregerstromanteil, dessen Größe durch
eine ausreichend groß bemessene Drosselspule bestimmt wird, und aus einem dem Ankerstrom
der Synchronmaschine verhältnisgleichen Laststromanteil zusammen, die unabhängig
voneinander mit Hilfe eines den Erregergleichrichter speisenden Erregerstromwandlers
überlagert werden. Diese Art der Erregung wird sowohl für Synchronmaschinen ohne
Erregermaschine als auch fürSynchronmaschinenmitErregermaschine verwendet. Es ist
bekannt, zur Selbsterregung dieser Synchronmaschinen Kondensatoren vorzusehen, die
mit der die Größe des Grunderregerstromanteils bestimmenden Drosselspule auf Resonanz
abgestimmt sind. Die Kapazität dieser Kondensatoren ist dabei so gewählt, daß sich
die Synchronmaschine beim Hochlaufen erst von einer bestimmten Drehzahl ab erregt,
denn beim Anlaufen der Synchronmaschine fließt durch die Drosselspule erst dann
ein Strom, wenn die Frequenz der von der Maschine abgegebenen Spannung den Wert
der Resonanzfrequenz durchläuft. Wählt man also als Resonanzfrequenz einen Wert,
der nur wenig unterhalb der Netzfrequenz liegt, so erregt sich die Synchronmaschine
erst kurz vor Erreichen der synchronen Drehzahl. Durchläuft die Frequenz der von
der Maschine abgegebenen Spannung den Wert der Resonanzfrequenz, so wird die in
der Maschine vorhandene Remanenzspannung auf den mehrfachen Wert gesteigert, so
daß der Schwellwert des Erregergleichrichters überschritten wird und die Selbsterregung
in Gang kommt.
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Bei Synchrongeneratoren mit sehr niedrigen Erregerspannungen, 20 bis
40V, bereitet die Einleitung der Selbsterregung mitunter Schwierigkeiten, weil die
vom Erregerkreis zur Verfügung gestellten Spannungen zur Überwindung des Schwellwertes
nicht ausreichen.
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Zur Überwindung des Schwellwertes der einen Synchrongenerator erregenden
Gleichrichter ist es bekannt, diesem Gleichrichter während des Anfahrvorganges Hilfsgleichrichter
parallel zu schalten, die von einer Fremdspannung gespeist werden, bzw. den Gleichrichter
an eine höhere Spannung zu legen. Solche Anordnungen erfordern jedoch stets eine
Umschalteinrichtung, die einen beachtlichen Aufwand darstellt und überdies -häufig
zu Störungen Anlaß gibt. Es ist daher zur Verbesserung des Selbsterregungsvorganges
für kompoundierte Generatoren auch bereits vorgeschlagen worden; parallel zum Haupterregergleichrichter
einen Hilfsgleichrichter mit anderen Eigenschaften sowie einen mit dem Hilfsgleichrichter
in Reihe liegenden Widerstand zu schalten.
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Die Erfindung geht einen anderen Weg zur Lösung der Schwierigkeiten,
die sich bei Synchronmaschinen mit lastabhängiger Gleichrichtererregung in Stromschaltung,
und zwar insbesondere bei Maschinen mit sehr niedriger Erregerspannung, ergeben.
Die Erfindung verwendet hierzu ebenfalls einen gleichstromseitig parallel zum Haupterregergleichrichter
angeordneten Hilfsgleichrichter kleiner Leistung. Wesentlich für die Erfindung ist
jedoch, daß dieser Hilfsgleichrichter wechselstromseitig an eine Anzapfung höheren
Potentials des Erregerstromwandlers als der Haupterregergleichrichter angeschlossen
ist und daß Mittel vorgesehen sind, die während des Betriebes der Synchronmaschine
die Spannungsunterschiede zwischen dem Haupterregergleichrichter und dem Hilfsgleichrichter
aufnehmen und den dem Hilfsgleichrichter zugeführten Strom begrenzen. Hierdurch
wird erreicht, däß beim Durchlaufen der Frequenz der von der Synchronmaschine abgegebenen
Spannung durch den Wert der Resonanzfrequenz am Hilfsgleichrichter eine Spannung
auftritt, die mit Sicherheit zur Überwindung des Schwellwertes des Hilfsgleichrichters
ausreicht. Gleichzeitig werden während des normalen Betriebes die Spannungsunterschiede
zwischen dem Haupterregergleichrichter und dem Hilfsgleichrichter ausgeglichen und
der dem Hilfsgleichrichter zugeführte Strom begrenzt. 'Würde man hierfür nämlich
keine
gesonderten Mittel vorsehen, so würde der durch die Gesamtdurchflutung der Primärseite
des Erregerstromwandlers bestimmte Strom auf der Sekundärseite lediglich über den
Hilfsgleichrichter fließen, weil die Spannung am Hilfsgleichrichter stets höher
als am Haupterregergleichrichter wäre.
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Eine Möglichkeit, dies zu verhindern, besteht darin, in die Wechselstromzuleitung
des Hilfsgleichrichters einen ausreichend groß bemessenen Scheinwiderstand (ohmscher
Widerstand, Drosselspule oder Kondensator) einzuschalten. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, daß zwischen den Erregerstromwandler und den beiden Gleichrichtern
ein Ausgleichswandler eingeschaltet wird, dessen eine Wicklung in der Wechselstromzuleitung
des Haupterregergleichrichters liegt, während seine andere Wicklung in der Wechselstromzuleitung
des Hilfsgleichrichters angeordnet ist. Durch diesen Ausgleichswandler wird dann
das vorgesehene Verhältnis der den beiden Gleichrichtern zuzuführenden Ströme erzwungen,
sobald erst einmal die Selbsterregung durch die dem Hilfsgleichrichter zugeführte
Erhöhte Spannung zustande gekommen ist. Gleichzeitig nimmt der Ausgleichswandler
die Spannung auf, die der Differenz zwischen der Spannung der zum Hilfsgleichrichter
führenden Anzapfungen des Erregerstromwandlers und der von der Erregerwicklung benötigten
Spannung entspricht.
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Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Fig. 1 und 2 zwei Ausführungsbeispiele
von gemäß der Erfindung erregten Synchrongeneratoren dargestellt. In Fig. 1 wird
der Synchrongenerator 1 über den Haupterregergleichrichter 2, den Erregerstromwandler
3 und die Drosselspule 4 in bekannter Weise in Stromschaltung lastabhängig erregt.
Der Erregerstrom des Synchrongenerators 1 setzt sich also aus einem lastunabhängigen
Grundstromanteil, dessen Größe durch die Drosselspule 4 bestimmt wird, und aus einem
dem Ankerstrom des Synchrongenerators 1 verhältnisgleichen Strom zusammen, die beide
unabhängig voneinander im Erregerstromwaridler3 überlagert werden. Zur Einleitung
der Selbsterregung sind die Kondensatoren 5 vorgesehen, die mit der Drosselspule
4 derart auf Resonanz abgestimmt sind, daß sich der GeneratoT 1 beim Hochlaufen
erst von einer bestimmten Drehzahl ab erregt, denn beim Anlaufen des Generators
1 fließt durch die Drosselspule 4 erst dann ein Strom, wenn die Frequenz der vom
Generator 1 abgegebenen Spannung den Wert der Resonanzfrequenz durchläuft.
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Da es sich bei dem in Fig. 1 dargestellten Generator 1 um einen Generator
mit kleiner Erregerspannung, beispielsweise 40V, handelt, reicht die durch die Resonanzabstimmung
zwischen Drosselspule 4 und Kondensator 5 beim Anfahren am Haupterregergleichrichter
2 auftretende Remanenzspannung nicht aus, um den Schwellwert des Gleichrichters
2 zu überwinden, so daß die Selbsterregung nicht in Gang kommt. Gemäß der Erfindung
ist daher der Hilfsgleichrichter 6 gleichstromseitig zum Haupterregergleichrichter2
parallel geschaltet; wechselstromseitig ist der Hilfsgleichrichter 6 an eine Anzapfung
wesentlich höheren Potentiales des Erregerstromwandlers 3 geführt als der W echselstromanschluß
des Haupterregergleichrichters 2. Demgemäß ist auch die am Hilfsgleichrichter auftretende
Remanenzspannung beträchtlich erhöht, so daß sie zur Überwindung des Schwellwertes
des Hilfsgleichrichters 6 ausreicht.
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Da der Hilfsgleichrichter 6 wechselstromseitig an eine Anzapfung höheren
Potentials angeschlossen ist als der Haupterregergleichrichter 2, würde während
des Betriebes des Synchrongenerators 1 nur der Hilfsgleichrichter 6 Strom führen,
da an ihm während des Betriebes stets eine größere Spannung liegt als am Haupterregergleichrichter
2. Da der Hilfsgleichrichter 6 an eine wesentlich höhere Windungszahl des Erregerstromwandlser
3 angeschlossen ist als der Haupterregergleichrichter 2, würde er bei gegebener
Erstdurchflutung des Erregerstromwandlers 3 einen viel zu kleinen Erregerstrom an
die Erregerwicklung des Synchrongenerators 1 liefern; dennoch würde der Hilfsgleichrichter
6 hierdurch weit über den für ihn vorgesehenen Maximalstrom überlastet werden. Damit
dies verhindert wird, ist in die Wechselstromzuleitung des Hilfsgleichrichters 6
die Drosselspule 7 eingeschaltet. Diese Drosselspule ist ausreichend groß bemessen,
so daß sie den dem Hilfsgleichrichter 6 zugeführten Strom während des Betriebes
begrenzt und gleichzeitig die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Gleichrichtern
2 und 6 aufnimmt. Statt der Drosselspule ? kann auch ein ausreichend groß bemessener
ohmscher Widerstand oder ein Kondensator Verwendung finden.
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Während beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 die beiden Gleichrichter
2 und 6 wechselstromseitig an ein und dieselbe Wicklung des Erregerstromwandlers
3 angeschlossen sind, ist in Fig.2 ein Ausführungsbeispiel wiedergegeben, bei dem
die beiden Gleichrichter 2 und 6 an zwei verschiedene Wicklungen des Erregerstromwandlers
3 angeschlossen sind. Wesentlich hierbei ist nur, daß der Hilfsgleichrichter 6 wechselstromseitig
an eine Anzapfung höheren Potentials des Erregerstromwandlers 3 als der Haupterregergleichrichter
2 angeschlossen ist. Weiterhin unterscheidet sich das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel
vom Ausführungsbeispiel der Fig. 1 durch die Verwendung anderer Mittel zur Begrenzung
des dem Hilfsgleichrichter 6 während des Betriebes zugeführten Stromes. Beim Ausführungsbeispiel
der Fig. 2 ist nämlich zwischen den Erregerstromwandler 3 und die beiden Gleichrichter
2 und 6 der Ausgleichswandler 8 eingeschaltet, dessen eine Wicklung in der Wechselstromzuleitung
des Haupterregergleichrichters 2 liegt, während seine andere Wicklung in der Wechselstromzuleitung
des Hilfsgleichrichters 6 angeordnet ist.
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Es sei angenommen, daß die den beiden Gleichrichtern 2 und 6 zugeführten
Ströme der Größe nach im Verhältnis k2 = 1 :20 stehen, d. h. dem Haupterregergleichrichter
2 sollen wechselstromseitig 100A und dem Hilfsgleichrichter 6 lediglich 5 A zufließen.
Die Erregerspannung e3 des Synchrongenerators 1 möge 40 V betragen. Der Haupterregergleichrichter
2 hat also eine Wechselstromleistung von
während der Hilfsgleichrichter 6 eine Wechselstromleistung von
hat. Wird nun der Hilfsgleichrichter '6 über den Ausgleichswandler 8 an eine Anzapfung
des Erregerstromwandlers 3 mit der Spannung ei = 100 V angeschlossen, so muß die
in der Wechselstromzuleitung des Hilfsgleichrichters 6 liegende Wicklung des Ausgleichswandlers
8 die Differenzspannung e2 = ei - e3
= 60V aufnehmen. Demgemäß ergibt sich
beim Übersetzungsverhältnis k2 = 1 :20 = 0,05 für die andere Wicklung des Ausgleichswandlers
8 die Spannung k,' e2 = 3V. Wird mit k1 das Übersetzungsverhältnis des Erregerstromwandlers
3 bezeichnet, so ist die Spannung k1 ' ei die Spannung, an die die Wechselstromzuleitung
des Haupterregergleichricbters 2 angeschlossen wird; da #diese Spannung mit der
Spannung k2 - e2 = 3 V die Erregerspannung e3 = 40V ergeben muß, muß sie gleich
37 V sein, d. h. das Übersetzungsverhältnis
der Wicklungen des
Erregerstromwandlers 3, an die die Wechselstromzuleitungen der beiden Gleichrichter
angeschlossen sind, ist k1 = 0,37.
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Da für die Spannungen ei, e2 und e3 die Beziehungen gelten e3=ki.ei+k2.e2
und e2 = ei - e3' ergibt sich zwischen der Erregerspannung e3 des Synchrongenerators
1 und der Spannung ei, an die die Wechselstromzuleitung des Hilfsgleichrichters
6 angeschlossen ist, die Beziehung:
Man hat demnach durch Wahl der Werte k1 und k2 in der Hand, sowohl eine ausreichende
Spannung zur Überwindung des Schwellwertes des Gleichrichters 6 und damit zur Einleitung
der Selbsterregung als auch kleine Abmessungen für den Hilfsgleichrichter 6 zu erhalten.
Die durch den Ausgleichswandler 8 in den Wechselstromkreis des Haupterregergleichrichters
2 übertragene Spannung erhöht die vom Erregerstromwandler 3 in diesen Stromkreis
gelieferte Spannung und erleichtert dadurch auch die Überwindung des Schwellwertes
dieses Haupterregergleichrichters.
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Mitunter ist es vorteilhaft, den Ausgleichswandler 8 mit einem Luftspalt
auszuführen, weil dadurch die Drosselwirkung des Ausgleichswandlers verringert wird,
solange nur Strom dem Hilfsgleichrichter 6 und noch nicht dem Haupterregergleichrichter
2 zufließt. Auch hierbei bleibt das Hauptmerkmal der Erfindung bestehen, daß nämlich
beim Anlaufen des Generators 1 der Hilfsgleichrichter 6 stets ein zur Überwindung
seines Schwellwertes ausreichendes Potential erhält, das die Erregung in Gang bringt.
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Zur Feineinstellung der lastabhängigen Erregung des Synchrongenerators
1 dient in an sich bekannter Weise der Zusatzwandler 9, dessen Erstwicklung vom
Strom des Synchrongenerators 1 durchflossen wird, während seine Zweitwicklung an
eine mit Anzapfungen versehene Wicklung des Erregerstromwandlers angeschlossen ist.
Durch entsprechende Wahl dieser Anzapfungen ist eine Feineinstellung der beiden
Erregerstromanteile nach Größe und Phase möglich.