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Einrichtung zur Sicherung der Stabilität von elektrischen Fahrzeugantrieben,
insbesondere Schiffsantrieben Die Erfindung betrifft die Sicherung der Stabilität
von elektrischen Fahrzeugantrieben, insbesondere Schiffsantrieben, mit einem einen
Synchronmotor speisenden Synchrongenerator mit Erregermaschine, deren Erregung in
Abhängigkeit vom Belastungsstrom des Synchronmotors beeinflußt wird.
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In elektrischen Anlagen mit von einem Generator gespeisten Motor,
bei denen die Leistungsfähigkeit des Motors ungefähr gleich derjenigen des Generators
ist, können Änderungen in der Motorbelastung die Generatorspannung erheblich beeinflussen.
Bei konstanter Erregung des Generators kann eine Änderung der Motorlast dazu führen,
daß der Motor außer Tritt fällt oder aus dem Synchronismus kommt, wenn es sich um
einen Synchronmotor handelt, oder nicht mehr durchzieht, wenn er ein Induktionsmotor
ist. Diese Gefahr ist besonders dann groß, wenn der Generator mit veränderlicher
Geschwindigkeit betrieben wird, wie dies z. B. beim Manövrieren mit Schiffsantrieben
der Fall ist, und wenn der Generator seinen Antrieb von einer mit veränderlicher
Geschwindigkeit zu betreibenden Maschine erhält und die Geschwindigkeit des Motors
durch die Frequenz der Generatorspannung bestimmt ist. Bei flüchtiger Betrachtung
mag es den Anschein haben, daß eine angemessene Stabilisierung unabhängig von Spannungs-
und Frequenzänderungen zu erreichen ist, wenn man die Erregung des Motors und des
Generators hoch hält, doch ist ein solcher Betrieb
nicht ratsam,
da darunter der Wirkungsgrad leidet, wenn Motor und Generator ihre Stabilität für
alle Schwankungen von Geschwindigkeit und Spannung aufrechterhalten sollen; es wäre
notwendig, daß das Generatorfeld sehr stark erregt wird, und bei Verwendung eines
Synchronmotors müßte nicht nur das Generatorfeld, sondern auch das Motorfeld eine
sehr starke Erregung erhalten. Überdies müßte unter solchen Umständen der Generator
und der Motor etwa 25% größer bemessen werden als bei Anwendung der nachstehend
geschilderten Erfindung.
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Bisher wurden zur Überwachung der Stabilität besondere Regelvorrichtungen
verwendet, um den Belastungsstrom gegen den Erregerstrom der zusammengeschalteten
elektrischen Maschinen abzugleichen. Diese Regelvorrichtung umfaßte gewöhnlich Relais
oder andere Stromschließvorrichtungen mit einer größeren Anzahl beweglicher Teile.
Zur Erhöhung der Betriebssicherheit und Minderung der Gestehungskosten ist es aber
wünschenswert, die Anzahl der beweglichen Teile auf ein Mindestmaß herabzusetzen,
wenn es schon nicht gelingt, sie sämtlich zu vermeiden. Je weiter man auf diese
Weise die Zuverlässigkeit der Regelvorrichtung steigern kann, um so leichter ist
es möglich, den Motor in der Nähe seines Kippunktes zu betreiben, ohne den Betrieb
zu gefährden, und daraus ergibt sich dann wieder die Möglichkeit, Abmessungen und
Gewicht der Maschinen. zu verringern.
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Um dieses Ziel zu erreichen, wird bei einer Einrichtung zur Sicherung
der Stabilität von elektrischen Fahrzeugantrieben, insbesondere Schiffsantrieben,
mit einem einen Synchronmotor speisenden Synchrongenerator mit Erregermaschine,
deren Erregung in Abhängigkeit vom Belastungsstrom des Synchronmotors beeinflußt
wird, erfindungsgemäß diese Erregermaschine zugleich zur Lieferung der Erregung
des Generators und des Motors verwendet und so beeinflußt, daß der Synchronlauf
der Hauptmaschinen auch bei Lastschwankungen dieser Maschinen erhalten bleibt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung veranschaulicht,
und zwar zeigt Fig. I schematisch einen turboelektrischen Antrieb; Fig. 2 und 3
geben Betriebskurven; Fig. 4 und 5 stellen andere Ausführungsformen der Erfindung
dar, und Fig.6 zeigt Betriebskurven für die Anlage nach Fig. 5.
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In Fig. I ist II die mit veränderlicher Geschwindigkeit zu betreibende
Antriebsmaschine für den Generator 17, und zwar eine Turbine, an deren Stelle aber
auch eine Verbrennungskraftmaschine treten kann. Bei Schiffsantrieben wird gewöhnlich
die Fahrgeschwindigkeit dadurch geändert, daß der Dampfeinlaß zur Turbine oder die
Brennstoffzufuhr zu der antreibenden Verbrennungskraftmaschine verändert wird, was
durch ein im Rohr 13 vorgesehenes Ventil 15 erfolgen kann. Der mit der Antriebsmaschine
II gekuppelte Generator 17 erzeugt einen Wechselstrom, dessen Frequenz durch
die Geschwindigkeit der Antriebsmaschine II bestimmt wird. Er hat eine Feldwicklung
I9. Vom Generator 17 wird der Propellerantriebsmotor 21 über einen Umschalter 23
gespeist, mit dessen Hilfe die Drehrichtung des Motors 21 zu bestimmen ist. Der
Motor ist ein Synchronmotor mit der Feldwicklung 25. In den Stromkreisen der Feldwicklungen
I9 und 25 liegen Regelwiderstände 27, 29, die dazu dienen, gegebenenfalls ein gewisses
Verhältnis zwischen den Erregungsstärken der Feldwicklungen I9, 25 herzustellen.
Ferner ist eine Erregermaschine 31 in die Erregerstromkreise eingeschaltet, die
von einer Maschine 33 mit gleichbleibender Geschwindigkeit angetrieben wird. Der
Erregerstromkreis des Generators verläuft von der oberen Klemme der Erregermaschine
31 über die Feldwicklung I9, den Regelwiderstand 27 nach der unteren Klemme der
Erregermaschine 34 und der Erregerstrom für das Motorfeld 25 geht von der oberen
Klemme der Erregermaschine 31 über die Feldwicklung 25 und den Regelwiderstand
zur unteren Klemme der Erregermaschine 31. Die Erregermaschine hat wieder eine Feldwicklung
35, die aus einer Gleichstromquelle 37, 39 über einen Regler 41 und einen
Regelwiderstand 43 gespeist wird.
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Der Regler 41 ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Kohledruckregler,
dessen Scheiben 45 zwischen einem beweglichen Po1 47 und einem feststehenden Pol
49 angeordnet sind. Die zur Änderung des ohmschen Widerstandes dieses Reglers notwendigen
Druckänderungen bewirkt ein Hebel 51, der mit dem beweglichen Kontakt 47 verbunden
und am anderen Ende auf einer Welle 53 gelagert ist. Zur Bewegung der Welle 53 dient
ein Motor 55. Mit dessen Hilfe kann also der vom Hebel 51 auf die Kohlescheiben
45 ausgeübte Druck geändert werden. Der Hebel 51 ist so zwischen Federn 57 eingespannt,
daß der von ihm ausgeübte Druck sein Mindestmaß aufweist, solange der Motor 55 entregt
ist. Sind keine Mittel vorhanden, um den Kohledruckregler 41 so einzustellen, daß
ein Mindestmaß in der Erregung der Feldwicklung ig und 25 erreicht wird, so kann
man den Regelwiderstand 43 für diesen Zweck benutzen. Der Motor 55 ist an die Sekundärwicklungen
59, 61 und 63 von Stromwandlern 65, 67 und 69 angeschlossen, deren
Primärwicklungen durch die den Generator 17 mit dem Motor 2z verbindenden Leitungen
71, 73 und 75 dargestellt sind. Infolgedessen wird der Motor 55 in Abhängigkeit
von dem Belastungsstrom erregt, der zwischen dem Generator 17 und dem Motor 21 fließt.
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In Fig. 2 zeigt die Kurve 77 die Beziehung zwischen der Leistung des
Motors 2= und dem zwischen ihm und dem Generator 17 fließenden Belastungsstrom für
einen gegebenen Erregerstrom und eine gegebene Geschwindigkeit des Generators und
des Motors. Leistung und Belastungsstrom steigen an, bis eine Höchstleistung im
Punkte 79 erreicht ist. Sodann sinkt die Leistung ab, während der Belastungsstrom
wächst. Um die Stabilität des Motors aufrechtzuhalten, wird er daran gehindert,
zu nahe an seiner Höchstleistung zu arbeiten. Deshalb sollte für eine vorher bestimmte
Stabilitätsgrenze die Belastung für die durch die Leistungskurve 77 angegebenen
Verhältnisse im wesentlichen durch die Linie 81 begrenzt sein. Um die Stabilität
auch dann aufrechtzuerhalten, wenn die Belastung bis zur Linie 83 steigt, ist der
Motor
nach den Bedingungen zu betreiben, die durch die Leistungskurve 85 mit ihrem Höchstpunkt
87 angezeigt werden.
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In Fig. 3 veranschaulicht die Kurve 89 die Werte des Erregerstromes
und des Laststromes für die Höchstleistung mit stabilem Betrieb. Sie umfaßt eine
Reihe von Punkten, die den Punkten 79 und 87 in Fig. 2 auf den Leistungskurven 77
bzw. 85 entsprechen. Um eine sichere Stabilitätsgrenze für Belastungen aufrechtzuerhalten,
die den durch die Kurve 89 angezeigten Laststrom erfordern, wird die Erregung im
wesentlichen gemäß der Kurve 9I verändert.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung sei folgendes bemerkt: Zum
Anlassen, Synchronisieren und Umsteuern des Motors 21 können in den Zeichnungen
nicht dargestellte Mittel zur Übererregung des Generator- und Motorfeldes I9 und
25 benutzt werden. Angenommen, der in Fig. I dargestellte Maschinensatz ist in Betrieb,
so fließt ein Belastungsstrom zwischen dem Generator 17 und dem Motor 25 über die
Primärwicklungen 71, 73 und 75 der Stromwandler 65, 67 und 69. Der Hilfsmotor 55
wird also in Abhängigkeit vom Belastungsstrom erregt und bewegt den Hebel 51 in
eine solche Stellung, daß er den Regler 41 zur Abgabe eines bestimmten Erregerstromes
an die Feldwicklung 35 der Erregermaschine 31 einstellt. Diese Maschine liefert
dann einen genügenden Strom an die Feldwicklungen I9 und 25 der Hauptmaschinen,
um einen stabilen Betrieb des Motors 21 zu sichern. Nimmt man nun an, daß der Maschinensatz
zunächst unter den durch die Leistungskurve 79 und die Belastungskurve 81 in Fig.
2 angegebenen Bedingungen arbeitet und daß die Belastung bis zu dem durch die Linie
83 angezeigten Werte steigt, so wächst auch der Strom in den Stromwandlern 65, 67
und 69, und demgemäß wird das Drehmoment des Hilfsmotors 55 vergrößert; der Hebel
51 wird also entgegen dem Uhrzeigersinne weitergedreht, so daß der Widerstand des
Kohledruckreglers 41 sinkt. Eine Steigerung des Erregerstromes durch die Feldwicklung
35 ist die Folge, daher wächst der Erregerstrom der Feldwicklungen I9 und 25, und
die vorher bestimmte Stabilitätsgrenze wird aufrechterhalten. Es ist zu bemerken,
daß besonders dann, wenn die Stabilitätsgrenze verhältnismäßig niedrig ist, der
Belastungsstrom zum schnellen Anwachsen gemäß der Kurve 77 neigt, sobald die Belastung
gesteigert wird. Der schnelle Anstieg des Belastungsstromes wird etwas durch die
sich ergebende Steigerung der Erregung gehemmt. Durch die Veränderung der Erregung
wird die Leistung des Motors 21 so gesteigert, daß er für die durch die Linie 83
angegebene Belastung entsprechend der Leistungskurve 85 arbeitet, sobald Gleichgewicht
erreicht ist.
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Beim Absinken der Belastung wird auch der Belastungsstrom schwächer,
und der Hilfsmotor 55 beeinflußt deshalb den Regler 41 so, daß die Erregung des
Generators 17 und des Motors 21 schwächer wird und dementsprechend eine vorher bestimmte
Stabilitätsgrenze und ein vorbestimmter Wirkungsgrad für die neue Belastung erreicht
wird.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist die Anordnung im wesentlichen
die gleiche wie in Fig. I, nur fehlt in Fig. 4 der Hilfsmotor 55 im Stromkreis der
Sekundärwicklungen 59, 61 und 63 der Stromwandler 65, 67 und 69, auch fällt der
Regler 41 weg. Die Feldwicklung 35 (Fig. I) der Erregermaschine 31 ist ersetzt durch
zwei Feldwicklungen 93 und 95 (Fig. 4). Die Wicklung 93 wird über den einstellbaren
Widerstand 43 aus den Leitungen 37, 39 erregt. Die Feldwicklung 95 erhält Gleichstrom
aus den Stromwandlern 65, 67, 69 durch einen Satz Gleichrichter 97. In Fig.4 sind
Trockengleichrichter angegeben, doch können an deren Stelle natürlich auch Entladungsgefäße
benutzt werden. Geringe Änderungen in der Gleichrichtercharakteristik durch Alterung
haben im vorliegenden Falle keinen Einfluß, da ja eine Steigerung des inneren Gleichrichterwiderstandes
eine Erhöhung der Wandlerspannung verursacht, aber nicht die Stromverhältnisse beeinflußt.
Ein parallel zur Feldwicklung 95 geschalteter Regelwiderstand 99 kann außerdem benutzt
werden, um den durch die Feldwicklung 95 fließenden Erregerstrom einzustellen.
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Im Betriebe wird die Wicklung 95 in Abhängigkeit von dem Belastungsstrom
der Primärwicklungen 71, 73, 75 der Stromwandler 65, 67, 69 erregt. Jede Änderung
im Belastungsstrom infolge einer Änderung der Belastung des Motors 21 hat sofort
eine bestimmte Veränderung im Erregerstrom der Feldwicklung 95 der Erregermaschine
21 zur Folge. Dementsprechend ändert sich auch die Erregung der Felder ig und 25
des Generators 17 und des Motors 2i, so daß deren Stabilität erhalten bleibt.
Die veränderliche Komponente der Generator- und Motorerregung (Linie ioi in Fig.
3) veranschaulicht die Wirkung von Veränderungen der Erregung in der Feldwicklung
95. Die konstante Komponente der Generator- und Motorerregung, die durch den Widerstand
43 eingeregelt werden kann, wird durch die Linie 103 veranschaulicht; sie zeigt
die Wirkung der Feldwicklung 93 der Erregermaschine 3i.
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In Fig. 5 werden die Felder ig und 25 des Generators 17 und Motors
2i aus den gleichbleibendes Potential aufweisenden Sammelschienen 37, 39 über die
Erregermaschine 31 erregt, und zwar so, daß diese Erregermaschine die Gleichspannung
aus den Schienen 37, 39 schwächt oder verstärkt. Die Feldwicklung 93 der Erregermaschine
bleibt der freien Wahl überlassen, da die gleichbleibende Komponente io3 (Fig. 3)
des Erregerstromes aus den Sammelschienen 37, 39 entnommen werden kann. Als Gleichrichter
97 zur Speisung der Erregerwicklung 95 sind in Fig. 5 Entladungsgefäße angegeben,
deren Steuerelektroden 105 in irgendeiner bekannten Weise erregt werden können.
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Außerdem können noch im Erregerkreis der Wicklung 95 besondere Mittel
107 zur Beeinflussung des Feldes vorgesehen sein. Sie bestehen gemäß Fig.5
aus einem Regelwiderstand iog, der in Reihe mit der Feldwicklung 95 liegt
und die Zeitkonstante des Feldkreises herabsetzt, und einer Drosselspule iii, deren
Zeitkonstante höher ist als die des Stromkreises der Wicklung 95 und des
Widerstandes iog; die Drosselspule liegt parallel zur Feldwicklung 95 und zum Widerstand
iog und bildet einen Nebenschluß für einen Teil des durch die Gleichrichter
97 gelieferten
Gleichstromes. Die Anordnung ist so getroffen,
daß der Gesamtstrom aus den Sekundärwicklungen 59, 61, 63 der Stromwandler durch
die Kurve 113 in Fig. 6 dargestellt werden kann. Der Strom wird so unterteilt, daß
die Kurve 115 den Strom der Feldwicklung 95 darstellt und die Kurve 117 den Strom
durch die Drosselspule III. Der Widerstand IO9 kann auch dazu benutzt werden, den
Strom durch die Feldwicklung 95 abzustimmen.
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Der Betrieb der Anlage nach Fig. 5 gleicht im allgemeinen demjenigen
des Antriebs nach Fig. q., nur wird, wenn der Belastungsstrom so ansteigt, daß-
der Gesamtstrom durch die Gleichrichter 97 von II9 bis I2I (Fig.6) wächst, der Strom
durch die Feldwicklung 95 schneller ansteigen als durch die Drosselspule
III wegen der verschiedenen Zeitkonstanten dieser Schaltungsteile. Ferner wird,
wenn der Belastungsstrom zu wachsen beginnt, der Strom in der Feldwicklung 95 über
den Wert hinaus steigen, den er haben wird, sobald der Strom in der Wicklung 95
und der Drosselspule III den Gleichgewichtszustand erreicht. Diese Stromwelle ist
bei 123 in Fig. 6 angedeutet. Die Dauer der Welle ist abhängig von den Zeitkonstanten
der Feldwicklung 95 und der Drosselspule III, sie hat die Wirkung, daß die Erregermaschine
31 schneller auf einen Wechsel im Belastungsstrom anspricht und deshalb einen schnelleren
Wechsel in der Generator- und Motorerregung herbeiführt, was die Stabilität des
Betriebes sichert.
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Wird die Belastung so verringert, daß der durch die Gleichrichter
97 gehende Gesamtstrom 113 (Fig. 6) von 121 auf 125 abfällt, so ergibt sich ein
Abfall 127 im Feldstrom 115, sobald die Belastungsänderung eintritt. Ein schneller
Abfall des Erregerstromes ist nicht wichtig zur Aufrechterhaltung der Stabilität
des Maschinensatzes. Theoretisch würde sogar ein zu schnelles Absinken der Erregung
die Stabilität zu gefährden scheinen, doch wird durch die Erfindung eine schnelle
Selbstkorrektur erreicht. Falls die Erregung so weit sinkt, daß die Stabilitätsgrenze
unterhalb eines bestimmten Wertes bleibt, so steigt der Belastungsstrom wieder bei
jeder Neigung des Motors zum Kippen, dies aber hat ohne weiteres eine Steigerung
des Erregerstromes bis zu einem betriebssicheren Werte zur Folge, und so wird jede
Neigung zu einer Überregelung der Erregung, also zu einer Untererregung des Generator-
und des Motorfeldes beim Absinken der Belastung oder zur Übererregung der Felder
beim Steigen der Belastung sofort durch die damit verbundene Änderung im Belastungsstrom
verhindert.
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Die Stromwandler und Gleichrichter sind bei den angegebenen Ausführungsbeispielen
dreiphasig geschaltet. Die Erfindung ist aber auch anwendbar, indem die Stromwandler
nur in ein- oder zweiphasiger Schaltung zur Überwachung der Erregung der Erregermaschine
benutzt werden.