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Ruhendes Erregergerät für Synchrongeneratoren Die Erfindung bezieht
sich auf ein ruhendes Erregergerät für Synchrongeneratoren ohne Erregermaschine.
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Mit der Entwicklung von elektronischen Geräten steigen beständig die
Anforderungen an die Spannungskonstanz auch kleinerer Stromerzeugungsaggregate,
die diese Geräte speisen. Es geht dabei nicht nur um die statische Spannungskonstanz,
sondern auch um den dynamischen Spannungseinbruch bei Lastauf- und -abschaltung,
dessen Aussteuerung beispielsweise bei kompundierten Drehstromgeneratoren zum größten
Teil durch den Drehzahleinbruch des Antriebes, meist einer Verbrennungskraftmaschine
mit Ausregelzeiten von etwa 1 sec bestimmt wird. Außerdem ist es heute erwünscht,
daß bei kleineren und mittleren Generatoren die Erregerleistung nicht durch eine
Erregermaschine, deren Kollektor dauernder Wartung bedarf und Anlaß zu Funkstörungen
gibt, sondern durch eine ruhende Erregereinrichtung erzeugt wird. Zu diesem Zweck
wurde bereits die Verwendung von Magnetverstärkern vorgeschlagen. Kleine Ausregelzeiten
sind jedoch auf diesem Wege nicht zu erreichen, da ein Magnetverstärker mit großen
Zeitkonstanten behaftet ist. Auch gesteuerte Quecksilberdampfgleichrichter sind
als ruhende Erregereinrichtung für den zur Rede stehenden Zweck nicht geeignet,
da Quecksilberdampfgleichrichter im allgemeinen für die benötigte Erregerleistung
zu groß und gegen Stöße empfindlich sind.
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Durch die Entwicklung der steuerbaren Siliziumzellen ergeben sich
hier neue Möglichkeiten. Allerding sind Siliziumzellen empfindlich gegen Spannungsspitzen,
die in Schaltungen, bei denen der Belastungsstrom als Störgröße direkt aufgeschaltet
wird, bei Nichtbeachtung besonderer Vorsichtsmaßnahmen auftreten können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehstromgenerator
so zu erregen, daß die Spannung - unabhängig von Drehzahländerungen in einem Bereich
von etwa ± 20 % - konstant ist und auch bei dreiphasigem Kurzschluß ein Kurzschlußstrom
fließt, der zum Auslösen der Sicherungen führt. Dies ist für Generatoren, von denen
mehrere einzeln abgesicherte Verbraucher betrieben werden, von entscheidender Bedeutung,
damit bei etwaigem Kurzschluß in einem Verbraucher nicht die gesamte Stromversorgung
ausfällt.
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Es ist bereits eine Einrichtung zum Begrenzen des Dauerkurzschlußstromes
von Synchronkompoundgeneratoren bekannt, bei der ein sättigbarer Stromwandler vorgesehen
ist, der so gewählt ist, daß das Verhältnis von Generatorspannung zu Generatorfrequenz
möglichst genau konstant gehalten wird. Da die Sättigung des Stromwandlers frequenzabhängig
ist, sind zusätzlich noch Mittel vorgesehen, die den Kurzschlußstrom bei höherer
Frequenz begrenzen.
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Es ist ferner eine Drehstromanlage, insbesondere auf Flugzeugen, bekannt,
die aus einem Generator, einem Regler und einer Störgrößenaufschaltung des Ankerstromes
bzw. einer Kombination aus Ankerstrom und Ankerspannung besteht. Es ist ein Stromwandler
vorhanden, dessen übersättigungsverhältnis so klein gewählt wird, daß ein Dauerkurzschlußstrom
zum Verschwinden gebracht wird, da ein spannungsabhängiger Anteil, ein stromabhängiger
Anteil sowie ein Anteil des Reglers am Erregerstrom auf das Polrad geführt werden,
wobei alle Anteile im gleichen Sinne wirken. Da der minimale Reglerstrom dauernd
über einen Widerstand fließt, müssen die beiden anderen Komponenten relativ klein
gemacht werden, weswegen der Wandlerstrom zu einer Selbsterregung des Generators
im Kurzschluß nicht ausreicht.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein ruhendes Erregergerät der eingangs
genannten Art mit einem aus der Maschine selbst gespeisten Regler zur Konstanthaltung
der Generatorspannung unabhängig von Drehzahlschwankungen in einem bestimmten Bereich
und mit einem das Feld des Generators zusätzlich stromabhängig erregenden Stromwandler.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe, die Generatorspannung unabhängig von der Generatorfrequenz
konstant
zu halten, dadurch gelöst, daß das übersetzungsverhältnis
und die Sättigungsbedingungen des Stromwandlers so gewählt sind, daß durch ihn ein
Dauerkurzschlußstrom, auch bei der niedrigsten vorkommenden Frequenz, ermöglicht
und in seiner Höhe bestimmt wird.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung beispielsweise
näher erläutert.
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Der Ankerstrom des Generators 1 fließt über den Stromwandler 2 in
den (nicht gezeichneten) Verbraucher. Hauptaufgabe des Stromwandlers ist es, im
Kurzschlußfall die Höhe des Kurzschlußstromes zu bestimmen. Diese Größe ist durch
die Sättigung und das Übersetzungsverhältnis des Wandlers frei wählbar. Der Wandlerstrom
wird durch den Gleichrichter 3 gleichgerichtet und fließt in die Feldwicklung 4.
Im Nennbetrieb erzeugt diese Wicklung den größten Teil der zur Kompensation der
Ankerrückwirkung benötigten Amperewindungen und entlastet so den Regler. Zur Erzeugung
des Leerlaufanteiles des Erregerstromes und zur Konstanthaltung der Spannung dient
der übrige Teil der Schaltung. Er besteht aus dem Transformator 6, über den der
Leerlaufanteil der Erregerleistung an den Maschinenklemmen abgenommen und in seiner
Spannung der halbgesteuerten Drehstrom-Brückengleichrichterschaltung 7 angepaßt
wird. Der steuerbare Gleichstrom fließt in die Feldwicklung 9. Die steuerbaren Ventile
des Gleichrichters 7 werden mittels eines mit Halbleiterelementen aufgebauten Reglers
13 durch Impulse gesteuert; seine Hilfsenergie erhält der Regler über die Zuleitungen
14. Über den Transformator 15 und den Gleichrichter 16 wird dem Regler der Istwert
der Klemmenspannung zugeführt, die innerhalb des Reglers in an sich bekannter Weise
mit einem Sollwert verglichen wird. Die Differenz steuert den Reglerverstärker aus,
der wiederum den Impulssteuersatz beaufschlagt und so eine Phasenverschiebung der
zur Steuerung der Siliziumstromtore benutzten Impulse in Abhängigkeit von der Klemmenspannung
bewirkt.
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Zum Inbetriebsetzen des Generators wird durch die Taste 12 die Starterbatterie
10, die ohnehin bei jedem Dieselaggregat vorhanden ist, über den Gleichrichter 11
auf das Feld 9 oder aber (abweichend von der Zeichnung) auf das Feld 4 geschaltet,
so daß die Klemmenspannung etwa 1/s bis 1/2 der Nennspannung beträgt. Da der Steuersatz
dabei voll ausgesteuert ist und die Schwellspannung des Gleichrichters, insbesondere
der Siliziumstromtore, überschritten wird, erregt sich die Schaltung dann von selbst
auf die Nennspannung. Der Strom und damit die Feldspannung ist niedrig, da die Magnetisierungskennlinie
der Maschine bei niedriger Spannung geradlinig verläuft. Der Gleichrichter 11 soll
einen Rückstrom von dem Erregergleichrichter 7 in die Batterie verhindern, der dazu
führen würde, daß, wenn die Taste 12 nicht rechtzeitig geöffnet wird, sich die Maschine
voll erregt bzw. der Erregergleichrichter überbelastet würde. Wollte man die Schaltung
in der bisher erläuterten Form in Betrieb setzen, so bestünde die Gefahr, daß bei
wirtschaftlicher Bemessung, d. h. bei Auslegung der Gleichrichter 7 für die Sekundärspannung
des Transformators 6, die Gleichrichter 7 bei Kurzschluß des Generators durch die
Stromspitze zerstört werden, die über den Laststromwandler 2 in der Wicklung 4 auftritt
und in der Wicklung 9 eine Spannungsspitze hervorruft. Durch Parallelschalten eines
großen Kondensators 5 von mehreren 100 MF zur Feldwicklung 4 wird dieser Effekt
verhindert. Die Spannungsspitze liegt nicht in der Größenordnung der sonst bei Siliziumgleichrichtern
bekannten, nadelförmigen Impulsspannungen, die durch übliche Beschaltungskondensatoren
beseitigt werden können, sondern dauert, hervorgerufen durch den Laststromwandler,
eine ganze Periode der 50-Hz-Spannung an. Weiterhin ist es hier von besonderem Vorteil,
parallel zu den halbgesteuerten Brückengleichrichtern 7 den Gleichrichter 8 einzubauen,
der sonst im allgemeinen bei Gleichrichterschaltungen ähnlicher Art nicht notwendig
ist.
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Der Gleichrichter 8 hat die Aufgabe, beim Ausbleiben der Impulse aus
dem Steuergerät 13 den Rückstrom aus der Feldwicklung 9 aufzunehmen, der dann nach
der Feldzeitkonstanten abklingt. Wäre diese Diode nicht vorhanden, bliebe das zuletzt
stromführende gesteuerte Ventil durchgezündet. Die Klemmenspannung der Maschine
stiege beträchtlich an und führte zu Zerstörung der angeschlossenen Verbraucher.
Das obenerwähnte Ausbleiben der Impulse kann beispielsweise bei Entlastung der Maschine
auftreten. Dabei steigt die Spannung und Frequenz der Maschine an. Dieser Spannungsanstieg
von etwa 10 1/o steuert den Regelverstärker voll durch und bringt damit die Impulse
des Steuersatzes in die 180°-Lage. Eine hier eingebaute Begrenzung würde die mit
dem Steuergerät erreichbare Verschiebung der Impulse bereits einengen, da Begrenzungsdioden
bekanntlich keine exakten Knicke in der Kennlinie haben. Da aber für eine halbgesteuerte
Brücke das Steuergerät die Impulse um mindestens 150° verschieben muß, könnte man
noch eine Endlage, und zwar bei 0°, begrenzen. Hinzu kommt noch der Einfluß der
Frequenzänderung, die, wenn man sie berücksichtigen würde und gleichzeitig eine
Begrenzung bei 0 und 180° einführen wollte, dazu führt, daß die Impulse nur noch
um 100 bis 120° verschoben zu werden brauchen, was zur vollen Aussteuerung der Stromtore
nicht ausreicht und eine überdimensionierung derselben erfordern würde.