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Erregungseinrichtung für selbsterregte Synchrongeneratoren Zur Stromerzeugung
in wenig erschlossenen Gebieten oder zur Notstromversorgung werden häufig Synchrongeneratoren
in Selbsterregungsschaltung verwendet, die von einem Verbrennungsmotor oder einer
anderen Maschine angetrieben werden. Es sind Schaltungen zur Selbsterregung von
Synchrongeneratoren über eine Anordnung von Drossel(n), Kondensator(en), Transformatoren)
und Gleichrichter(n) bekannt. Die Anordnung sorgt dafür, daß die Spannung des Synchrongenerators
unabhängig von der Belastung und vom cos 9p konstant bleibt. Die Selbsterregung
setzt ein, sobald die Remanenzspannung einen Strom über die Drossel(n) aufbringt.
Die Konstanthaltung der Spannung erfolgt dadurch, daß der Erregerstrom um so größer
wird, je größer die Belastung des Generators und je kleiner der cos (p ist. Man
kann diese Tatsache aus Fig. 1 ersehen, die die vektorielle Zusammensetzung des
Erregerstromes 1E aus dem der Spannung um fast 90° e1. nacheilenden spannungsabhängigen
Leerlaufstromanteil IL und den mit dem Belastungsstrom in Phase liegenden Belastungsstromanteil
1B zeigt. Für den Parallelbetrieb der selbsterregten Synchrongeneratoren werden
bei gleich großen Typen derselben Bauart die Erregerzubehöre auf der Gleichstromseite
der Erregergleichrichter parallel geschaltet. Bei ungleichen Generatoren werden
die Erregerzubehöre auf der Wechselstromseite der Erregergleichrichter parallel
geschaltet, weil in dem Falle, daß die Erregerspannungen nicht gleich groß sind,
Punkte gleichen Potentials miteinander verbunden werden müssen. Zu diesem Zwecke
werden an einem der Transformatoren entsprechende Anzapfungen vorgesehen, oder wenn
diese nicht vorhanden sind, wird ein Spartransformator eingefügt, der den Potentialangleich
bewirkt. Besitzen die parallel arbeitenden Generatoren aber verschieden große Ankerrückwirkungen,
dann stimmt die gewünschte Blindlastverteilung auf die einzelnen Generatoren nur
für eine bestimmte Belastung. Es erfolgt über dem gesamten Lastbereich dieselbe
Blindlastverteilung auf die einzelnen parallel arbeitenden Generatoren, wenn ein
Spreiztransformator eingefügt wird. Bei der Anordnung zum Parallelschalten der Erregerzubehöre
besteht aber nicht die Möglichkeit, Synchrongeneratoren in Stromschaltung parallel
zu Synchrongeneratoren mit Hilfs-Erregermaschine zu schalten. Die neue Lösung ermöglicht
den Parallelbetrieb nicht nur von Synchrongeneratoren in Stromschaltung untereinander,
sondern auch parallel zu Generatoren mit Hilfs-Erregermaschine.
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Die Erfindung betrifft somit eine Erregungseinrichtung für selbsterregte
Synchrongeneratoren, bestehend aus einem Stromtransformator mit einer Sekundärwicklung
für den Erregerkreis und zwei Primärwicklungen, von denen die eine vom Generatorstrom
durchflossen und die andere über Drosselspulen an die Generatorklemmen angeschlossen
ist; die Erfindung besteht darin, daß eine zusätzliche Vormagnetisierungswicklung
des Stromtransformators von einer Netzphase über einen Reihenschwingkreis gespeist
ist entweder unmittelbar über einen Gleichrichter in Graetzschaltung oder über einen
Hallgenerator, dessen Primärstromkreis und dessen Erregerstromkreis von einem der
Phasenspannung proportionalen Steuerstrom durchflossen ist und dessen Hallspannung
über eine Drossel an die Vormagnetisierungswicklung gelegt ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden also nicht die Ströme vektoriell
addiert und dann über eine Gleichrichteranordnung der Erregerwicklung des Synchrongenerators
zugeführt, sondern die durch die Einflußgrößen hervorgerufenen Flüsse addieren sich
im Stromtransformator. Als Regelglied für den Stromtransformator kann ein Hallgenerator
vorgesehen sein, dessen Primärstromkreis und dessen Erregerstromkreis von einem
der Generatorspannung proportionalen Strom durchflossen ist, so daß an den Hallelektroden
eine von der Generatorspannung abhängige Spannung anliegt; ferner kann als Regelglied
der Reihenschwingkreis mit nachgeschalteter Gleichrichteranordnung vorgesehen werden.
Wird der Synchrongenerator mit dem Netz oder anderen Synchrongeneratoren parallel
geschaltet, so wird in den Eingangskreis des Regelgliedes die Reihenschaltung eines
einstellbaren Widerstandes mit einer Drosselspule gelegt. Die Reihenschaltung ist
zusätzlich von einem Strom durchflossen, der dem Strom im Leiter
des
Drehstromnetzes proportional ist und an den das Regelglied nicht angeschlossen ist.
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Zur näheren Erläuterung wird auf die Zeichnung verwiesen; es zeigt
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Schaltung für die Erregungseinrichtung, bei dem
als Regelglied ein. Hallgenerator verwendet ist, Fig. 3 einen Hallregler mit Sollwert-
und Empfindlichkeitseinsteller, Fig.4 die Einrichtung zum Parallelbetrieb des Synchrongenerators.
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Die Erregerwicklung des Synchrongonerators 1 (Fig. 2) ist über die
Gleichrichteranordnung 2 an den Ausgang der Sekundärwicklung c des Stromtransformators
3 angeschlossen. Die Primärwicklung a des Stromtransformators 3 ist einmal über
die Drossel 4 an die Phasenleiter des Synchrongenerators 1 angeschlossen, und zum
anderen sind die Eingänge der Primärwicklung a mit der Dreiecksschaltung der Kondensatoren
5 verbunden. Die Kondensatoren 5 dienen zur Stützung des Erregungsvorganges beim
Anlauf. Die Primärwicklung b des Transformators 3 liegt im Zuge der Phasenleiter
des Synchrongenerators 1 und wird vom Belastungsstrom des Synchrongenerators durchflossen.
Die Wicklungen a, b und c des Stromtransformators liegen auf einem gemeinsamen
Kern. Zur Vormagnetisierung des Stromtransformators ist die Steuerwicklung d vorgesehen.
Sie ist an den Ausgang des Haureglers 6 angeschlossen. Im Zuge der Verbindung
der Steuerwicklung d mit dem Hauregler 6 ist ein Sollwerteinsteller 7 und
eine Drosselspule 8 als Wechselstromwiderstand angeordnet. Je nach Größe des zur
Verwendung kommenden Synchrongenerators und erforderlichen Leistung für die Steuerwicklung
kann zwischen Hallregler 6 und Steuerwicklung d ein Verstärker 9 angeordnet werden.
Der Eingang des Haureglers 6 ist über ein Frequenzkompensationsglied 11, das aus
der Reihenschaltung eines Kondensators, einer Drosselspule und eines ohmschen Widerstandes
besteht, und bei Pendelbetrieb über die Reihenschaltung 12, den Empfindlichkeits-
und Sollwertsteller 13 an die Phasen S und R des Synchrongenerators 1 oder des gemeinsamen
Netzes angeschlossen.
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Der Aufbau des Hallreglers geht aus Fig. 3 hervor. Der Hallregler
14 ist im Luftspalt eines Magnetjoches 15 angeordnet. Auf dem Magnetjoch 15 ist
die Erregerwicklung 16 angebracht. Im Zuge ihrer Stromzuführung liegt der Stromtransformator
17, dessen Sekundärwicklung an die Prinzärelektroden des Hallgenerators angeschlossen
ist. Die Hallelektroden führen zum Ausgang des Sollwert- und Empfindlichkeitseinstellers.
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Die Einrichtung zum Parallelbetrieb des Synchrongenerators in Fig.
4 besteht aus der Reihenschaltung eines einstellbaren Statikwiderstandes und einer
Drosselspule. Sie ist über die Feldwicklung des Hallgenerators an die Phasen R und
S des Synchrongenerators angeschlossen. Gleichzeitig ist die Reihenschaltung an
die Sekundärwicklung eines Stromtransformators 18 angeschlossen, dessen Primärwicklung
im Zuge des Phasenleiters T angeordnet ist.
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Die Wirkungsweise der neuen Einrichtung ist folgende: Der Generator
erregt sich durch die Remanenz über den Stromtransformator 3 und den Gleichrichter
2 selbst. Der Erregerstrom setzt sich vektoriell in Abhängigkeit vom Phasenwinkel
p aus einem Leerlaufanteil und einem lastabhängigen Stromanteil in der Sekundärwicklung
c des Stromtransformators 3 zusammen. Der Leerlaufanteil wird durch die Größe und
Bemessung der vorgeschalteten Luftspaltdrossel 4 begrenzt. Die in Dreieck geschalteten
Kondensatoren 5 fördern die Erregung beim Anlauf und beseitigen bei entsprechender
Dimensionierung den Temperatureinfluß auf die Spannung. Durch die neue Erregungseinrichtung
wird also die Spannung unabhängig von der Belastung, vom Leistungsfaktor und der
Temperatur konstant gehalten, jedoch besteht zunächst eine Drehzahlabhängigkeit
und nicht die Möglichkeit der stetigen Einstellung eines Spannungssollwertes, ferner
treten auch beim Parallelbetrieb Schwierigkeiten auf. Durch das Regelglied 6, das
Frequenzkompensationsglied 11 und die Reihenschaltung 12 werden auch diese Nachteile
beseitigt. Die genannten Steuer- und Regeleinrichtungen wirken auf die Vormagnetisierungswicklung
d des Stromtransformators 3 ein. Die Feldwicklung des Hallreglers 6 liegt an der
zu regelnden Spannung. Sie erzeugt ein Magnetfeld, das den Luftspalt des Magnetjoches
15 (Fig. 3) durchsetzt und somit den Hallgenerator 14 beeinflußt. Der Strom durch
die Feldwicklung des Hallgenerators bzw. ein ihm proportionaler Strom durchfließt
den Hallgenerator als Steuerstrom. Demnach liegt an den Hallelektroden eine Hallspannung,
die proportional dem Produkt von Magnetfluß 0 und Steuerstrom ist. Der Hallstrom
fließt durch die Vormagnetisierungswicklung d des Stromtransformators 3. Durch die
Drossel 8 wird die Rückwirkung des Wechselstromes auf den Halsregler ausgeschaltet.
Durch den quadratischen Zusammenhang zwischen einer Phasenspannungsänderung und
der sich daraus ergebenden Änderung des Hallstromes ist der Hauregler sehr empfindlich.
Eine kleine Änderung der Spannung bewirkt eine große Änderung des Hallstromes. Die
Empfindlichkeit des Hallreglers kann dadurch gesteigert werden, daß man ihn in seinem
Sättigungsbereich betreibt. Erfährt die Spannung des Synchrongenerators eine Abweichung
vom Sollwert, so ändert sich der Haustrom des Hallreglers 6. Bei wachsender Spannung
wächst der Vormagnetisierungsstrom, dadurch wird die Kerninduktion des Stromtransformators
herabgesetzt und damit auch die Sekundärspannung, was eine Verringerung des Gesamterregerstromes
zur Folge hat. Durch die Beeinflussung des Stromtransformators 3 über die Steuerwicklung
d wird die Lastkomponente und auch die Leerlaufkomponente beeinflußt.
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Die beschriebene Schaltung hat den Vorteil, daß sich der Generator
leicht erregt. Beim Anlaufen wirkt auf den Regler nur die Remanenzspannung. Der
Vormagnetisierungsstrom ist wesentlich kleiner als im Normalbetrieb beim Sollwert
der Spannung. Hierdurch wird eine Vergrößerung des Erregerstromes beim Anlauf hervorgerufen.
Das bedeutet eine geringere Steilheit der Erregergeraden, also eine bessere Erregung.
Der Frequenzkompensationswiderstand 11 ist so bemessen, daß der Scheinwiderstand
der Gesamtreihenschaltung bei Nennfrequenz kapazitiv ist. Demnach sinkt bei steigender
Frequenz der Scheinwiderstand, und der Strom durch die Reihenschaltung wird größer,
was wiederum eine Vergrößerung der Vormagnetisierung des Stromtransformators 3 und
damit ein Absinken der Spannung und des Erregerstromes zur Folge hat. Bei fallender
Frequenz wird die Spannung angehoben, dadurch werden Spannungsänderungen bei Frequenzänderungen
wieder aufgehoben.
Beim Parallelbetrieb ist die wesentliche Störgröße
für den Synchrongenerator der Blindstrom. Um die Blindstromabgabe des Synchrongenerators
zu begrenzen, wird der Blindstrom so in die Erregungseinrichtung eingeführt, daß
eine zusätzliche Spannung gebildet wird, die sich am Eingang des Hallreglers dem
Sollwert überlagert. Durch diese zusätzliche Spannung wird bewirkt, daß bei Abgabe
von zuviel Blindstrom des Synchrongenerators die übrigen einspeisenden Generatoren
die entsprechende Blindstrommenge weniger abgeben. Es ergibt sich demnach ein Spannungsgefälle,
und die Generatoren regeln. sich auf die eingestellte Blindstromabgabe ein.
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An Stelle des Haureglers 6 kann in den Regelkreis auch eine Gleichrichteranordnung
in Graetzschaltung eingefügt werden. Da die Gleichrichter eine eindeutige Sperrichtung
aufweisen, kann dann die Drosselspule 9 fortgelassen werden. Die Wirkungsweise ist
entsprechend gleich wie bei der Regelung mit HallregJer.
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Die neue Erregungseinrichtung erfüllt in hohem Maße die Forderungen,
die an Zusatzaggregate oder Notstromaggregate gestellt werden. Mit ihr ist eine
stetige Einstellbarkeit des Spannungssollwertes, eine stabile Selbsterregung, Frequenzunabhängigkeit
und Parallelschaltbarkeit des Synchrongenerators möglich.