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Einrichtung zur Steuerung des Erregerstromes von elektrischen Maschinen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Steuerung des Erregerstromes
von elektrischen Maschinen, insbesondere von Generatoren, in deren Erregerstromkreis
ein von der Spannung der elektrischen Maschine gesteuerter elektronischer Schalter
vorgesehen ist, der durch periodisches Ab- und Zuschalten der Erregerspannung den
zeitlichen Mittelwert des Erregerstromes im Sinne einer Regelung der Maschinenspannung
beeinflußt und zusätzlich von einem Stromüberwachungselement gesteuert wird.
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Es ist bereits eine Sicherheitseinrichtung gegen plötzliche überlastungen
des Ankerstromkreises von elektrischen Maschinen bekannt, welche ein den Erregerstrom
überwachendes Element besitzt und bei der die Erregerspannung bei überschreiten
eines vorgegebenen maximalen Erregerstromes vollständig abgeschaltet und die Maschine
außer Betrieb gesetzt wird. Eine erneute Inbetriebnahme wird durch Wiedereinschalten
des Erregerkreises von Hand vorgenommen.
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Zum Erreichen eines asynchronen Betriebes einer Synchronmaschine in
einem Verbundnetz hat man auch schon eine Schnellentregung angewendet und im asynchronen
Generatorbetrieb einen Widerstand in den Erregerkreis geschaltet, um die Erregung
zu verringern. Ferner ist es bekannt, zur Schnellentregung von selbsterregten Generatoren
die Generatorwicklung ganz oder teilweise kurzzuschließen.
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Diese bekannten Einrichtungen arbeiten mit wartungsbedürftigen Schaltgeräten.
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Bei Mehrphasensynchrongeneratoren ist zwar eine Einrichtung bekanntgeworden,
die mit kontaktlosen Elementen ausgerüstet ist und bei der zum Schutz der Erregerwicklung
die Erregung durch eine aus dem Generatorstrom und der Netzspannung hergeleitete
Größe im Sinne einer Begrenzung beeinflußt ist. Da als Regeleinrichtung aber eine
Magnetverstärkeranordnung benutzt ist, ist die Unterbringung vielfach erschwert,
weil eine solche Anordnung verhältnismäßig viel Platz beansprucht.
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Zur kontaktlosen Regelung des Erregerstromes eines Nebenschlußgenerators
nach Maßgabe der abgenommenen Generatorspannung ist es ferner bekannt, in den Erregerstromkreis
einen von der Spannung der elektrischen Maschine gesteuerten elektronischen Schalter
anzuordnen. Dieser Schalter beeinflußt durch periodisches Ab- und Zuschalten der
Erregerspannung den zeitlichen Mittelwert des Erregerstromes im Sinne einer Regelung
der Generatorspannung. Dabei wird ein Stromfluß in der Feldwicklung durch eine parallel
zu dieser angeordnete Nulldiode ermöglicht. Im Ausgangskreis des Generators liegt
ein Stromüberwachungselement, das auf den elektronischen Schalter im Sinne einer
Begrenzung des Laststromes einwirkt.
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Im Erregerkreis elektrischer Maschinen müssen die vom Erregerstrom
durchflossenen Teile so bemessen werden, daß sie auch den größten auftretenden Wert
dieses Stromes ohne Schaden führen können. Nun kann dieser Wert fallweise, z. B.
bei kalter Maschine, beträchtlich über dem betriebsmäßig erforderlichen Größtwert
liegen. In der Regel muß der betriebsmäßig erforderliche maximale Erregerstrom auch
bei ganz warmer Maschine verfügbar sein. Dieser ergibt sich als Quotient aus Erregerspannung
und Warmwiderstand des Erregerkreises. Liegt der Kaltwiderstand des Erregerkreises
beträchtlich tiefer, so ergibt bei kalter Maschine eine bestimmte Erregerspannung
einen entsprechend höheren Strom, der, selbst wenn er nur als kurzzeitig fließender
Strom zu berücksichtigen ist, eine beträchtliche Erhöhung von Raumbedarf und Preis
des Erregerzubehörs herbeiführen kann. Dies ist insbesondere bei Generatoren der
Fall, die mit Zweipunktreglern ausgerüstet sind, d. h. mit Reglern, bei denen z.
B. ein elektronischer Schalter durch periodisches Ab- und Zuschalten der Erregerspannung
den zeitlichen Mittelwert des Erregerstromes im Sinne einer Spannungsregelung steuert.
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Solange die Generatorspannung um mehr als die Regeltoleranz unter
dem Sollwert liegt, bleibt der Schalter gemäß dem Regelprinzip geschlossen. Dieser
Zustand - Vollbeaufschlagung des Erregerkreises bei Unterspannung des Generators
- wird ohne besondere Vorkehrungen bei jedem Auferregungsvorgang, z. B. beim Hochfahren,
durchlaufen und tritt auch bei übersättigter Maschine (Unterdrehzahl) ein. Beides
führt bei kalter Wicklung zu überströmen im Erregerkreis.
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Da manche Teile des Erregerkreises, insbesondere elektronische Schalter
von Reglern, infolge ihrer
kleinen Erwärmungs-Zeitkonstante bereits
durch kurzzeitige Überlastungen zerstört werden können, müssen sie für diese überströme
bemessen sein. Dies ergibt, bezogen auf den betriebsmäßigen Erregerstrom, unter
Umständen eine bedeutende überdimensionierung der verwendeten Schaltmittel. So kann
z. B. die Erregerwicklung eines voll ausgenutzten Generators bestimmter Isolationsklasse
eine Temperatur von 180° C erreichen. Bei dieser Temperatur muß die Wicklung bei
gegebener Erregerspannung noch den größten betriebsmäßig erforderlichen Erregerstrom
aufnehmen. Wird nun eine solche Maschine bei sehr niedrigen Temperaturen angefahren,
so hat die Erregerwicklung z. B. bei -40° C nur noch 47 % des bei 180° C gegebenen
Widerstandswertes. Die Wicklung würde also mehr als das Doppelte des vorgesehenen
Erregerstromes aufnehmen.
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Es wurde zwar vorgeschlagen, diese Temperaturabhängigkeit des Erregerkreiswiderstandes,
z. B. durch Vorschaltung von Widerständen, vorzugsweise mit negativen Temperaturkoeffizienten
herabzusetzen oder ganz aufzuheben, doch bedingen solche Maßnahmen zwangläufig eine
beträchtliche Erhöhung der gesamten Erregerleistung, also nebst Verschlechterung
des Wirkungsgrades eine Vergrößerung und Verteuerung,- des Erregerzubehörs.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs
beschriebenen Art mit einfachen und betriebssicheren Mitteln aufzubauen, durch die
gleichzeitig auch eine Überdimensionierung der verwendeten Schaltmittel vermieden
werden kann. Die Lösung gemäß der Erfindung besteht darin, daß das Stromüberwachungselement
vom Erregerstrom, gesteuert wird und so ausgebildet ist, daß die im. Erregerstromkreis
liegenden Schaltungselemente lediglich für den maximalen Erregerstrom bei betriebswarmer
Maschine bemessen zu sein brauchen. Durch das Stromüberwachungselement wird bei
überschreiten eines vorgegebenen maximalen Erregerstromes für die Dauer des überstromes
die Erregerspannung mittel- oder unmittelbar herabgesetzt oder abgeschaltet und
nach Absinken des Stromes unter den Grenzwert eine Wiederzuschaltung veranlaßt.
Auf diese Weise wird der Erregerstrom beim Erreichen eines bestimmten Wertes begrenzt,
so daß die im Erregerkreis liegenden Schaltelemente, insbesondere der elektronische
Schalter des Spannungsreglers, nicht für den bei kalter Erregerwicklung währ rend
des Anlaufs der Maschine fließenden hohen Strom ausgelegt werden müssen, sondern
nur für den wesentlich kleineren Erregerstrom bei betriebswarmer ,Wicklung bemessen
zu werden brauchen. Dadurch kommt man mit kleineren Bauteilen aus als bei der bekannten
Regeleinrichtung für Generatoren mit einem elektronischen Schalter im Erregerkreis.
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Durch die Einrichtung nach der Erfindung ergibt sich ein Strom, der
mit zeitlichen Schwankungen - die Frequenz derselben ist abhängig von den magnetischen
Zeitkonstanten des Erregerkreises - in einem beliebig eng zu bemessenden, an den
Ansprechwert gebundenen Intervall verläuft, d. h. dem maximal zulässigen Strom praktisch
gleichgemacht werden kann. Zweckmäßig wird der zulässige Maximalstrom ein wenig
größer als der höchste betriebsmäßig erforderliche Erregerstrom festgelegt. Damit
wird ein Betrieb erzielt, bei dem sich dann die Arbeitsbereiche der erfindungsgemäßen
Einrichtung einerseits und eines Spannungsreglers andererseits nicht überschneiden.
Es kann also .ein an sich bereits vorhandener elektronischer Schalter eines Spannungsreglers
zusätzlich für die erfindungsgemäße Erregerstrombegrenzung nutzbar gemacht werden.
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F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Schaltungsbeispiel
der Erfindung und F i g. 2 den Verlauf von Drehzahl, Spannung und Erregerstrom eines
selbsterregten Generators ohne und mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung.
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Nach F i g. 1 arbeitet der Drehstromgenerator 1 über den Gleichrichter
3 auf ein Gleichstromnetz. Vom Gleichrichter 3 wird auch über den im Schaltbetrieb
arbeitenden Transistor 4 die Erregerwicklung 2 des Generators gespeist. Zur Spannungsregelung
wird der Schalttransistor 4 durch ein die Generatorspannung U überwachendes Gerät
5, z. B. ein Impulsbreitenmodulator, gesteuert und schaltet dadurch die Erregerspannung
periodisch derart an die Erregerwicklung 2, daß der zeitliche Mittelwert des in
ihr fließenden Stromes IE den zur Spannungshaltung jeweils erforderlichen Wert aufweist.
Ein in bei zug auf die Erregerspannung der Wicklung 2 im Sperrsinn parallelgeschaltetes
elektrisches Ventil 6 (sogenannte Nullanode) ermöglicht es, daß diese Wicklung auch
bei gesperrtem Transistor 4, also bei kurzzeitig abgeschalteter Erregerspannung,
Strom führen kann. -Das elektrische Ventil 6 kann auch durch einen anderen passiven
Zweipol ersetzt sein, Der aus den Teilen 4, 5 und 6 bestehende Spannungsregler ist
durch ein Stromüberwachungselement 7 ergänzt, das den Strom IE überwacht. Vom Element
7 gehen Steuersignale aus, die derart auf die Steuerelektroden des Transistors 4
einwirken, daß dieser bei Erreichen eines oberen Grenzwertes des Erregerstromes
IE sperrt. Die Erregerspannung ist dann von der Erregerwicklung 2 abgeschaltet und
der Erregerstrom IE fließt zeitlich abklingend über das elektrische Ventil 6. Der
Transistor 4 öffnet wieder, wenn der Erregerstrom 1E unter den Grenzwert gesunken
ist. Die Steuerung des Transistors 4 kann. entweder - wie in F i g. 1 schematisch
dargestellt - unmittelbar durch das Überwachungselement 7 oder auch mittelbar, z.
B. über das für die Spannungsregelung vorgesehene Spannungsüberwachungselement 5
erfolgen. In diesem Fall wirken die Ausgangssignale des Elementes 7 auf das Gerät
5; und dieses steuert den Transistor 4.
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Das den Erregerstrom überwachende Element 7 wird vorteilhaft als Kippverstärker
mit Ansprechschwelle ausgebildet. An- Stelle des IGppverstärkers kann auch von einem
Stromwandler oder einem Shuntwiderstand Gebrauch gemacht werden, wobei die sich
ergebende Spannung über eine Schwellwertdiode od. dgl. auf die Basis des Transistors
4 geschaitet werden kann.
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Wenn die erfindungsgemäße Spannungsverminderung nicht bis auf Null
erstreckt werden soll, so ist dies nach F i g. 1 beispielsweise durch einen Widerstand
8 erzielbar, der .-- gestrichelt eingezeichnet .-dem Schalttransistor
4 parallel geschaltet wird, so daß dieser Transistor als überbrückungsschalter
wirkt.
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Der F i g. 2 liegt die Annahme eines mit Zweipunkt-Spannungsregler
versehenen selbsterregten Generators zugrunde, der vom Stillstand mit konstanter
Beschleunigung bis zur Betriebsdrehzahl n3 hochgefahren wird. Wird der Anlauf mit
betriebswarmer Maschine vorgenommen, so erfolgt im Zeitpunkt t.
(Drehzahl
n2) Selbsterregung, die Spannung U erreicht ihren Sollwert und der Erregerstrom
den Wert IE 2. Von da an tritt der Spannungsregler in Tätigkeit und senkt
den Erregerstrom mit zunehmender Drehzahl derart, daß die Generatorspannung den
Wert Usora praktisch einhält. Nach dem Hochlauf tritt im Zeitpunkt t4 Vollbelastung
ein, wodurch ein Erregerstrom 1E 4 (ein wenig kleiner als 1E 2) erforderlich
und vom Spannungsregler gesteuert wird. Der Schaltbetrieb des Reglers hat die angedeutete
Welligkeit von 1E zur Folge.
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Erfolgt der Anlauf bei kalter Maschine, so beginnt die Selbsterregung
bereits bei kleinerer Drehzahl. Ohne die erfindungsgemäße Einrichtung erreicht,
wie in F i g. 2 gestrichelt eingezeichnet, die Spannung den Wert Usorl und der Erregerstrom
den Wert IL, 1> IE2 schon im Zeitpunkt t1 (Drehzahl n1), worauf der Spannungsregler
seine Tätigkeit aufnimmt und IE mit steigender Drehzahl in erforderlicher Weise
absenkt. Der Schalttransistor des Reglers muß in diesem Fall für den - betriebsmäßig
gar nicht benötigten -Spitzenwert IE 1 bemessen werden.
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Ist hingegen eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Erregerstrombegrenzung
vorgesehen und auf den Grenzwert 1E 2 eingestellt, so beginnt bei kalter Erregerwicklung
die Selbsterregung zwar zur gleichen Zeit wie vorhin, jedoch bleibt der Erregerstrom
vom Zeitpunkt t,* an auf den Mittelwert IE 2 beschränkt, die Generatorspannung U
erreicht daher ihren Sollwert erst im Zeitpunkt t2, also bei der gleichen Drehzahl
n2 wie im warmen Zustand, und der Spannungsregler beginnt seine Tätigkeit erst von
da an. Von ti* bis t2 verläuft der Erregerstrom im Takt der durch das überwachungsgerät
7 (F i g. 1) veranlaßten Zu-und Abschaltung bzw. periodischen Verminderung der Erregerspannung.
Diese selbsttaktierte Schaltfrequenz liegt, wie in F i g. 2 angedeutet, meist um
eine Größenordnung tiefer als die des Spannungsreglers. Die bis IE 1 reichende
Erregerstromspitze mit den erläuterten Nachteilen ist nunmehr vermieden.