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Verfahren zur selbsttätigen Reglung und Stabilisierung von Gleichstromerzeugern.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reglung und Stabilisierung des Stromes.
von Generatoren für Gleichstromkreise mit konstanter Stromstärke und veränderlicher
Spannung.
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Bei den verschiedenen Anwendungen des Systems der'Kraftübertragung
mittels Gleichstrom von konstanter Stromstärke, dem sogenannten Seriensystem, hat
man ,die selbsttätige Reglung -der Generatoren auf verschiedene Weisen erzielt,
deren beste aber den Mangel einer Stabilität des magnetischen Feldes haben. Die
Stabilität kann .durch Benutzung guter Regler mit schneller Wirkung erzielt werden,
hängt aber von diesen Apparaten ab. Beim Stillstand oder einer Deschädigung eines
Reglers wird der Generator vollkommen unstabil und kann nicht mehr regelrecht arbeiten.
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Die Stabilität kann in einem gewissen Maße erreicht werden, wenn die
Bedingungen der allgemeinen Wirkung, die Verwendung
von Primärmotoren
mit konstantem Kräftepaar, das mehr oder weniger unabhängig ist von der Zahl der
Umdrehungen, erfüllt sind. Aber selbst in diesem Fallhaben die aus dem Verbrauchsstromkreise
herrührenden Schwankungen das Bestreben, .sich vom ersten Augenblick an zu vergrößern,
bis: eine neue Normalgeschwindigkeit erreicht ist. Dieses Verfahren ist zwar sehr
einfach und sicher, aber nicht vollkommen und nicht in allen Fällen anwendbar.
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Die Erfindung bezweckt, ,diese Nachteile zu vermeiden, indem den Generatoren
von konstantem Strom eine vollkommene Selbststabilität gegeben wird, die unabhängig
ist von der N'erwendung von selbsttätigen Reglern und -unabhängig von Primärmotoren.
Folglich kann die Verwendung von selbsttätigen Reglern auf die Vollendung einer
Reglung beschränkt werden, und die Bedienung ist nicht mehr von dem Stillsetzen
eines Reglers abhängig, was keine andere Folge hat, als die Vergrößerung des Abfalles
der Stromstärke als Funktion der Belastung, wobei der Abfall leicht von Hand durch
Benutzung eines Regelwiderstandes für den Erreger ausgeglichen wird, wie .dies bei
Anlagen .mit konstantem Potential üblich ist.
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Unter diesen Umständen beschränkt sich die Bedienung der Generatoren
mit konstanter Stromstärke genau auf dieselben Maßnahmen, wie sie bei Generatoren
konstanter Spannung gebräuchlich sind, und die Zierwendung von selbsttätigen Reglern
ist weder für konstante Stromstärke noch für konstante Spannung notwendig.
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DasVerfahren gemäß derErfindung benutzt die an sich bei anderen Einrichtungen,
wo eine Reglung für einen konstanten oder beschränkten Strom erwünscht ist, bekannte
Einrichtung, die darin besteht, daß der zu regelnde Generator differential durch
eine beliebig regelbare Stromquelle konstanter Spannung und durch den Hauptstrom
dieses Generators erregt wird.
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Die Erfindung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß der
Erregerstrom des zu regelnden Generators durch eine Erregermaschine mit zwei einander
entgegenwirkenden Erregerwicklungen geliefert wird, von denen die eine von einer
beliebigen regelbaren Stromquelle konstanter Spannung, die andere aber von einem
vom Hauptstrom des Generators abhängigen Strom gespeist wird, indem ein äußerer
Transformator mit einer von seinen Wicklungen in den Ankerkreis des Hauptgenerators
und mit der anderen in den von der Stromquelle konstanter Spannung gespeisten Stromkreis
oder in denErregerstromkreis des Hauptgenerators eingeschaltet ist, zum Zwecke,
die schädlichen Wirkungen .der gegenseitigen Induktion der Erregerstromkreise des
Erregers aufzuheben. Der Ausgleich des durch den belasteten Hauptgenerator verursachten
Stromstärkeabfalles kann unter Umständen ,dadurch erzielt werden, daß man seinen
Erreger mit einer dritten Erregerwicklung versieht, die von einer Polklemme des
Generators und am Ende der Serienwicklung seiner Erregermaschine abgezweigt ist.
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Um die oben angegebenen Bedingungen zu erfüllen, ist es notwendig,
*ß :die selbstregelnde Leistung eines Dynamos des Seriensystems viel größer ist
als diejenige, welche für einen gewöhnlichen Generator konstanter Spannung genügt.
In diesem letzten Fall erfordert der Übergang vom Leerlauf zum Volllauf nur eine
sehr kleine Vergrößerung des Magnetfeldes, d.h.gerade um so viel, als nötig ist,
um die Ankerverluste auszugleichen. Bei einem Generator konstanter Stromstärke ist
es aber anders. Der Übergang vom Leerlauf zum Vollauf erfordert nämlich für einen
Generator der üblichen Bauart eine beträchtliche Vergrößerung des Magnetfeldes,
weil es beim Leerlauf außerordentlich schwach sein muß, 1a die Maschine nur gerade
die elektromotorische Kraft zu erzeugen hat, die durch die inneren Verluste (die
im allgemeinen gegen i Prozent betragen) aufgebraucht wird, während der Feldmagnet
bei voller Belastung bis zum Höchstmaß erregt sein muß. Gerade diese Bedingung hat
bisher -die Verwirklichung des Problems der Selbststabilisation verhindert und die
Verwendung von starken mechanischen Reglern benötigt, die eine völlige Reglung bei
konstantem Magnetfeld gestatten.
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Wenn die Änderungen der Belastung eines Generators konstanter Stromstärke
sehr schnell erfolgen, infolge der Natur des Verbtattchsstromkreises (Fördermaschinen,
Walzwerkmaschinen usw.), ist es deshalb notwendig, daß die zur Verfügung stehende
Regelkraft für den Erregerstromkreis sehr groß ist, um wirksam die elektromotorischen
Kräfte bekämpfen zu können, die durch die schnellen Änderungen des. Magnetfeldes
entstehen. Wie weiter unten ausgeführt ist, verwirklicht die Erfindung hauptsächlich
:diese Grundbedingung, .deren Unausführbarkeit bisher der Grund für die Erfolglosigkeit
der Versuche war, die bisher in dieser Richtung angestellt wurden.
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Zum besseren Verständnis der folgenden Ausführungen sind auf -der
Zeichnung drei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.
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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel (Abb. i) werden zwei Erreger G2
und G3 in Verbindung miteinander benutzt, von denen G3 eine
gewöhnliche
Maschine konstanter Spannung ist (die durch irgendeine beliebige andere Stromquelle
von konstantem Potential ersetzt werden kann), während G2 ein Generator isst, dessen
magnetischer, für gewöhnlich wenig gesättigter Stromkreis von zwei fasst gleichen
Wicklungen erregt wird. Von diesen wird ,die eine I, von einem konstanten Strom
durchflossen, der vön G3 herkommt, während die andere, die entgegengesetzt gewickelt
ist, wie die erste, von dem Hauptstrom konstanter Stromstärke durchflossen wird.
Diese Maschine liefert für den Seriengenerator G, die Erregung, die für ihn in jedem
Augenblick erforderlich ist. Die Erregung von G2 ist also abhängig von der Differenz
der Felder dieser beiden Wicklungen. "Diese Differenz ist fast gleich Null bei Leerlauf,
indem dann die Anzahl der Arnperewindungen von 1Z und 1,
einander fast mit
gleicher Stärke entgegenwirken. Bei der Belastung hat aber die Stromstärke das Bestreben
zu sinken. Da die abgezweigte Erregung I2 konstant bleibt, während die entgegengesetzte
Erregung 1, sich verringert, nimmt nämlich das resultierende Feld von G, zu. Auch
die Erregung von G1 nimmt daher proportional der Belastung zu, wie dies, notwendig
ist.
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Wenn,die Erregermaschine G, in der Weise eingerichtet ist, daß eine
geringe Erregung genügt, um die normale Erregung von G, zu bewirken und wenn anderseits
jede der Wicklungen I2 und TZ eine relativ sehr große Zahl von Amperewindungen enthält,
so genügt eine schwache Verminderung der primären Stromstärke, um der Maschine G,
eine solche Erregung zu geben, die der vollen Belastung entspricht. Diese Verminderung
der Stromstärke ist bei jedem Generator vorhanden, -der nicht als Verbundmaschine
eingerichtet ist, und man gleicht sie im allgemeinen mittels eines von Hand oder
selbsttätig einzustellenden Regelwiderstandes aus.
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Der in dem Anker und -der Serienwicklung .des belasteten Hauptgenerators
verursachte Stromstärkeabfall kann dadurch ausgeglichen werden, daß man den Erreger
G2 noch mit einer dritten Erregerwicklung i2 versieht, die in demselben Sinne wie
ZZ wirkt und von der einen Klemme des Hauptgenerators G, und der Wicklung .T, gespeist
wird.
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Beim Seriensystem ist bekanntlich die Spannung des Generators unmittelbar
proportional der Belastung -des Verbrauchsstromkreises. Um den Abfall der Stromstärke
auszugleichen, genügt es daher, den Erreger proportional zur Belastung um den .dem
zugelassenen Abfall entsprechenden Betrag überzuerregen. Dies wird durch die Wicklung
i2 bewirkt, deren Feld mittels des Regelwiderstandes Rl geregelt werden kann. Dies
hat die-gleiche ,Wirkung wie die Verbundanordnung der Gleichstromgeneratoren. Die
Wicklungen I2 und TZ können zwei getrennte magnetische Stromkreise bilden, die in
entgegengesetztem: Sinne auf den Anker von G. wirken, wie dies z. B. der Fall sein
könnte, wenn G, eine vierpolige Maschine wäre, deren eines Polpaar von ZZ und deren
anderes Polpaar von 1, erregt würde, und deren Anker mit einer normalen Serienwicklung
versehen wäre. In diesem Falle würde die elektromotorische Kraft annähernd proportional
der Differenz der beiden gegeneinander wirkenden Erregungen sein. Diese Anordnung
ist aber nicht empfehlenswert, da nur eine geringe gegenseitige Induktion zwischen
12 und 1, vorhanden ist. Ebenso verhält es sich, wenn man zwei unabhängige Generatoren
benutzen wollte, deren Anker einander entgegenwirken, was auch ausführbar isst,
besonders wenn,die Atzsgleichwicklungi, auf jenem Feldmagneten angebracht ist, der
mit einer entgegengesetzten Serienwicklung 1, versehen ist.
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Man hat deshalb die zwei oder drei Wicklungen in demselben magnetischen
Stromkreis angeordnet, wie man es bei einem gewöhnlichen Transformator macht. Unter
diesen Umständen isst d ie gegenseitige Induktion, sehr stark, - was die Wirkung
hat, daß schädliche Verzögerungen der Reglung der Stabilität verursacht werden.
Die Erfindung bezweckt, jede Bildung von Pendelperioden auszuschließen. Hierzu dient
der Transformator T, welcher der .durch Induktion von TZ auf I2 erzeugten elektromotorischen.
Kraft eine gleiche (oder gar höhere) @elektromotorische Kraft entgegensetzt und
dadurch die indem Stromkreis I2 durch .die augenblicklichen Schwankungen der Stromstärke
in dem Verbrauchsstromkreis hervorgerufenen. Änderungen der Stromstärke aufhebt.
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Um .dieses Ergebnis. zu erzielen, genügt es, mit 1. ,die Sekundärwicklung
des Transformators in Reihe zu schalten, dessen Primärwicklung in Reihe mit dem
Verbrauchsstromkreis liegt. Die Richtung der Ströme ist in beiden Wicklungen die
gleiche. Die Wicklungen und der Widerstand -des magnetischen Stromkreises ,des Transformators.
sind derart gewählt, daß die Aufhebung der sekundären Wirkungen der gegenseitigen
Induktion der Erregerwicklungen I2 und T. .merklich vollständig ist oder selbst
d erart, daß die induktiven Wirkungen .des Transformators.höhere sind als diej enigen
dieser Erregerwicklungen, um die Schnelligkeit d er Wechsel der Erregerstromstarke
von G, entsprechend den Änderungen der Belastung zu vergrößern, denn der induktive
Widerstand der Wicklung I, ist notwendigerweise höher als derjenige der Wicklungen
12 und l,.
Die Einschaltung eines geeigneten Transformators, dessen
eine Wicklung in Reihe mit deni Verbrauchsstromkreis und dessen andere Wicklung
in Reihe finit der Erregung der Erre`rerinaschine (oder selbst nach Bedarf in Reihe
.:Mit Il) liegt, hat deshalb die Wirkung, die Reglung zti stabilisieren und ihre
Wir-I;tingSgeschwindig1,eit zti vergrößern. Trotzlein kann der induktive Widerstand
von Il unter gewissen Umständen einer genügend schnellen Reglung entgegenwirken,
wenn man nicht eine elektromotorische Kraft zur Verfü-ting hat, die genügend :hoch
ist, tun ihn zu Oberwinden. Man wird deshalb in dieseln Fall ..!ein Erreger G. einen
wenig gesättigten Magnetkreis geben, damit bei denn sehr schnellen Wechseln des
Gleichgewichts die Spannung an den Klemmen sich genügend liehen kann.
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In =11.b. 2 ist eine andere Ausführungsform Aargeatellt, bei welcher
4lie Erregung des Hauptgenerators G, zum Teil von einer direkten Serienwicklung
J, bewirkt wird, während die Wicklung I, nur zur Ergänzung der Erregung dient. Die
verschiedenen Stromkreise werden in der Weise geregelt, daß bei Leerlaut dieZahl
der Amperewin Jungen von I, kleiner ist als diejenige von J, und sich Gii # v
ihr abzieht. In dein 'Maße wie die Belastung wächst, müssen .die Amperewindungen
von I, abnehmen, dann ganz verschwinden und schließlich ihren Sinn wechseln, uni
sich zu (lenjenigen. von J, zu addieren, wobei sie finit der Belastung zunehmen.
Die 7a11 der Am.perewindungen von J., muß also bei Leerlauf geringer sein als diejenige
von I., ihr bei einer gewissen Belastung gleich sein und sie dann übersteigen.
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Die beiden Erregerwicklungen 1, und J, der in Abb. a dargestellten
Ausführungsform kennen, wie in Abb.3 dargestellt, zu einer einzigen Wicklung -J
vereinigt werden, wenn der Erreger G_ von den Klemmen dieser Wicklung J abgezweigt
wird. Bei Leerlauf arbeitet der Erreger G_ alsdann als Motor; von ein°r gewissen
Belastung an kehrt sich seine Wirkung um, so daß er an die Feldwicklung J einen
zusätzlichen Strom liefert, der zu dem Hauptstrom !hinzutritt und mit der Belastung
wächst.
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Die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung geregelten Generatoren
können in bekannter Weise mit Wendepolen versehen sein. Die kombinierte Verwendung
von selbsttätigen Reglern gestattet, nach Belieben den günstigsten Sättigungsgrad
zu wählen mit Hinsicht auf Billigkeit der Konstruktion. Die Verwendung des Regelwiderstandes.
R. gestattet die Selbsterregung, die Reglung des Stromes auf seinen normalen Wert
und die Aberregung der Generatoren. Dieser RegelwiAerstan1 kann auch .in den Stromkreis
des Erregers G" eingeschaltet werden. Er gestattet und erleichtert das Einschalten
der Generatoren in den Stromkreis und das Ausschalten aus. Jemsellben.