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Einrichtung zur Regelung elektrischer Betriebsgrößen mittels in Gegenschaltung
arbeitender Gleichstrommaschinen Sehr häufig tritt das Prdblem auf, die Größe der
Änderung eines elektrischen Gleichstromes zu verstärken. Dies ist besonders dann
der Fall, wenn man mit ,großer Genauigkeit und Schnelligkeit auf ein Regelorgan
einwirken will, und zwar in Abhängigkeit von Betriebsgrößen -von bestimmtem Wert,
der durch geeignete Umformung durch die Größe eines Gleichstromes .dargestellt werden
kann. Eine derartige Verstärkung ist besonders dann erwünscht, wenn man beispielsweise
ein- Regelorgan steuern will, um einen Gleichstrom konstant zu hälte!ri oder eine
Kompoundierung in Abhängigkeit von diesem Strom zu ° erzielen oder eine' Spannung
konstant zu halten, wobei der Gleichstrom, in dessen Abhängigkeit die Regelung erfolgt,
in einem Hilfsstromkreis fließt, der an ,dieser Spannung liegt. In solchen Fällen
ist es häufig erwünscht, die Änderung des Gleichstromes zu verstärken, um beispielsweise
die Empfindlichkeit und die Schnelligkeit der Regelung zu vergrößern oder eine kräftige
Regelung hervorzurufen oder bestimmte Charakteristiken zu erzielen.
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Es sind bereits Einrichtungen zur Regehing elektrischer Betriebsgrößen
mittels in Gegenschaltung arbeitender elektrischer Maschinen bekannt. Bei derartigen
Einrichtungen steigt oder fällt der von den beiden Maschinen abgegebene Strom steil
ins positive bzw. negative Gebiet, je nachdem ob die Spannungsdifferenz positiv
oder negativ ist. Solche Anordnungen haben gewisse Nachteile, die ihre Verwendung
bei bestimmten Gebieten ausschließen, wie im folgenden dargelegt ist.
In
der Einrichtung gemäß Abb. i sind die beispielsweise mechanisch gekuppelten und
von einem in der Zeichnung nicht dargestellten Motor, der die Verluste deckt, angetriebenen
Generatoren i und. 2 einander .gegen-, geschaltet. Der Generator i ist mit zwei
Hauptbürsten 3 und 4, Wendepolen 5, einer Kompoundwicklung 6 und einer Nebenschlußwicklung
7 versehen. Die Durchflutung der Wicklung 7 wird, beispielsweise durch einen Eisenwasserstoffwiderstand
8, konstant gehalten. Der Generator 2 ist mit zwei Hauptbürsten 9 und io, Wendepolen
i i, einer Kompoündwicklung i 2 und einer fremderregten Wicklün.g t 3 versehen.
Die Generatoren i und 2 wirken auf den von dem abgegebenen Strom durchflossenen
Verbraucheri4 in Gegenschaltung. Der Verbraucher 14 kann beispielsweise eine Erregerwicklung,
ein Hilfsmotor, eine Dreielekttodenröhre oder irgendeine Regeleinrichtung sein.
In den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen dient, als Verbraucher eine
Spule, die unmittelbar oder mittelbar den zu regelnden Stromkreis in dem gewünschten
Sinne steuert. An diesen zu regelnden Gleichstromkreis ist unmittelbar oder mittelbar,
beispielsweise über -einen Nebenschlußwiderstand, die fremderregte Wicklung 13 des
Generators 2 angeschlossen.
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Tst beispielsweise die Spannung, U2 des Generators 2 niedriger als
die Spannung U1 des Generators i, so fließt durch den Verbraucher 14 ein Strom J
in Richtung von Generator i nach Generator 2. Ist jedoch die Spannung U2 höher als
die Spannung U1, so wird der Strom l in umgekehrter Richtung fließen. Die Kurve
A-O-B in dem Schaubild gemäß Abb.2 zeigt den Verlauf des Stromes J in Abhängigkeit
von der Größe der Spannungsdifferenz. Durch geeignete Wahl des ° Widerstandes des
Verbrauchers 14 kann eine auch bei sehr großer Neigung der Kennlinie A-O-B stabile
Charakteristik erzielt werden. Das ,gleiche kann auch durch geeignete Auslegung
der Kompoundwicklung 6 und 12 sowie der zugeordneten Generatoren i und z erzielt
werden.
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Die in dem Verbraucherstromkreis verfügbare Leistung darf jedoch,
wenn eine kleine Zeitkonstante erwünscht ist, nicht größer sein als einige Prozente
der Leistung der Generatoren i und 2. Eine derartige Anordnung kann also beispielsweise
zur Regelung von Generatoren oder elektrischen Energieumformern, die eine geringe
Regelleistung benötigen, und insbesondere zur Steuerung der Gitter von Quecksilberdampfgleichrichtern
oder anderen Einrichtungen, bei denen eine Entlädung in Dampf oder ionisierte Gasen
erfolgt, vorteilhaft verwendet werden. In diesein Falle bilden beispielsweise sämtliche
Gleichstromwicklungen eines Zündspannungstransformators, durch :den der Zündeinsatz
jeder Anode beliebig verzögert werden kann; .den Verbraucher 14. Die Zündspannungsstromkreise
werden beispielsweise derart geregelt, daß sie ohne Gleichstrom .den Zündeinsatz
um 45° verzögern. Wird jedoch der Verbraucher 14 von einem Gleichstrom durchflossen,
so wird die Verzögerung bis zu 9o° verzögert oder, wenn der Gleichstrom in entgegengesetztem
Sinne fließt, bis auf Null, normaler Zündeinsatz; verkleinert. Unter diesen Bedingungen
kann die gleichgerichtete Spannung zwischen Null und ihrem Höchstwert ;geregelt
erden, wobei einige zehn Watt zur Steuerung eines Gleichrichters von mehreren tausend
Kilowatt genügen: Man kann also mit Maschinen, deren Leistung geringer ist als 1/l000
der Leistung des Gleichrichters, eine schnelle und kräftig erfolgende Regelung mit
einer Zeitkonstante von 1/l0 Sekunde erzielen.
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Die vorstehend beschriebene, nicht zum Gegenstand ;der Erfindung gehörende
Anordnung eignet sich jedoch für gewisse Anwendungszwecke, besonders zur Steuerung
von Quecksilberdampfgleichrichtern, aus folgenden Gründen nur in geringerem Maße.
Überschreitet nämlich aus irgendeinem Grunde der Strom in ,den Wicklungen 14 einen
bestimmten Wert, so erlischt der Lichtbogen infolge der Verschiebung .der Zündimpulse,
welche durch sehr große Sättigung ,des Zündspannungstransformätors hervorgerufen
wird. Andererseits bewirkt der Regler, wenn die durch den Regler erzeugte Charakteristik
die natürliche Charakteristik durch die Wirkung einer Überlast oder Abnahme der
zugeführten Spannung wiederherstellt, eine V ör eilung der Steuerspannung in b.ezug
auf die normale Zündung der Anoden. Überschreitet diese Voreilung einen bestimmten
Wert, so setzt die Zündung aus, wodurch die gleichgerichtete Spannung unstabil wird.
Erlischt ferner der Lichtbogen, oder wird die Anlage in Betrieb gesetzt, .:so wird
in dem Stromkreis i, 14, 2 ein derart hoher Strom fließen, daß dieser Stromkreis
durch eine geeignete Vorrichtung geschützt werden muß, die ihn zu einer geeigneten
Zeit unterbricht. Dies bedeutet aber eine Herabsetzung der Betriebssicherheit. Außerdem
würde bei überlast ein Ansprechen der Schutzvorrichtung in einem ungeeigneten Zeitpunkt
zu befürchten sein.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, ist erfindungsgemäß mindestens ein
Generator i, 2 mit einer in der. Direhrichtun.g im bezug auf die Hauptbürste 4 bzw.
to verschobenen Hilfsbürste 17 bzw. 18 versehen, die über
ein oder
mehrere Elemente 23 bzw. 24 mit eindeutiger Stromdurchlaßrichtung und gegebenenfalls
über einen Widerstand 21 bzw. 22 mit der Hauptbürste io bzw. q. gleicher Polarität
des anderen Generators 2 bzw. i durch einen Hilfsbürstenstr omkreis verbunden ist,
und das Element mit eindeutiger Stromdurchl.äßrichtung 23 bzw. 24 derart geschaltet,
daß in dem Hilfsstromkreis ein Strom nur von der Hilfsbürste zu .der Hauptbürste
fließen kann. Als Elemente 23 bzw. 24 mit eindeutiger Stromdurchlaßrichtung können
Trockengleichrichter, Ventile o. dgl. verwendet werden. Nachstehend wird die Arbeitsweise
des Hilfsbürstenstromkreises 17, 21, 23, i o beschrieben. Die Arbleitsweise des
anderen Stromkreises 18, 22, 2q., q. ist entsprechend.
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Unter der Amiahme, daß der Strom in dem betrachteten Augenblick den
Verbraucher 14 im Sinne des Pfeiles 16 durchfließt, ist das Potential der Bürste
io infolge des Ohmschen Spannungsabfalles höher als das Potential der Bürste q.
und noch höher als das Potential der Bürste 17, welches infolge der Verschiebung
und .der Polarität der Bürste 17 niedriger ist als das Potential der Bürste q..
Es kann also das Ventil 23 von keinem Strom durchflossen werden. Außerdem wird die
Charakteristik, welche ohne die Wirkung der Hilfsbürstenstromkreise erzielt wird,
nicht geändert. -Fließt jedoch der Strom in der Richtung des Pfeiles 15, so ist
das Potential der Bürste q. infolge des Ohmschen Spannungsabfalles höher als das
Potential der Bürste io, und zwar wird die Differenz um so größer sein, je größer
der Strom ist. Andererseits wird die Potentialdifferenz zwischen den Bürsten q.
und 17 verringert, wenn der Strom der als Generator arbeitenden Maschine i zunimmt.
Das Potential der Bürste 17 wird also für einen bestimmten und festen Wert der Stromstärke
.gleich sein dem Potential der Bürste io, so daß von diesem Augenblick an dem Fließen
eines Stromes von Tier Bürste 17 zur Bürste i o nichts im Wege steht. Nimmt nun
der Strom in dem Verbraucher 1q. infolge einer Verringerung der Erregung der Wicklung
13 zu, so wird ein Strom in dem Stromkreis 17, 21, 23, 10, 9, 11, 5, 3, 17 fließen.
Andererseits wird ein in dieser Richtung fließender Strom noch die Potentialdifferenz
zwischen. den. Bürsten verringern, wobei die 'entmagnetisierende Rückwirkung um
so stärker ist, je größer die Verschiebung der Bürste 17 in bezug auf die Bürste
4. ist. Diese Entmagnetisierung bewirkt weiterhin eine Verkleinerung der EMK des
Generators i, welche denselben Wert annehmen wird wie die Spannung der Maschine
2, wodurch eine Begrenzung des den Verbraucher 14 durchfließenden Stromes erreicht
wird, wie die Kurve A' des Schaubildes gemäß Abb.2 zeigt.
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Bei einem großen Widerstand 21 wird der Strom des Hilfsbürstenstromkreises
herabgesetzt - und die Charakteristik A" erreicht. Ist der Widerstand 21 klein,
so ist die Schutzwirkung zu stark ausgeprägt, wie die Kurve A"' zeigt. Die
Kurve A' kann also durch Wahl eines ;geeigneten Widerstandes erhalten werden.
Bei geringerer Verschiebung der Bürste 17 in bezug auf die Bürste q. tritt die Begrenzung
des Stromes schon bei einem kleineren Stromwert ein, wie die Kurve .a' zeigt. Die
Charakteristik C-O-C' zeigt den Verlauf des Stromes in den Hilfsbürstenstromkreisen.
Es kann natürlich auch nur ein einziger Hilfsbürstenstromkreis, z. B. für eine Strombegrenzungseinrichtung
verwendet werden, welche eine Charakteristik A'-O-B aufweist. Ebenso kann die Polarität
gleichzeitig mit der Durchlaßrichtung der Ventile geändert werden, ohne daß die
Arbeitsweise der Einrichtung sich ändert; Abb.3 und q. zeigen Anwendungsbeispiele
des Gegenstandes der Erfindung.
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Die Anordnung gemäß der Abb.3 bezieht sich auf die Erzielung einer
Konstantspannungscharakteristik mit Über- oder Unterkompoundierung von zwei parallel
arbeitenden Quecksilberdampfgleichrichtern, die in der Zeichnung nur durch die Leitungen
25 und 25' angedeutet sind, durch welche die Gleichrichter mit dem Pluspol des Gleichstromnetzes
verbunden sind. Der negative Leiter des Netzes ist mit 26 bezeichnet.
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In der Abb.3 ist nur für den Gleichrichterkreis 25, 26 eine Einrichtung
gemäß. Abb. i dargestellt; jedoch muß für den anderen Gleichrichter ebenfalls eine
solche Einrichtung vorgesehen werden. Mit 14 sind beispielsweise sämtliche Gleichstromwicklungen
der Zündspannungstransformatoren bezeichnet, die den Zündeinsatz der Anoden des
Gleichrichters 25, 26 beliebig verzögern können. , Der Generator i ist über die
Leitung 27 beispielsweise mit den Steuergittern der Gleichrichter verbunden. Die
postive Bürste q. des Generators i ist mit dein positiven Pol25 der gleichgerichteten
Spannung verbunden. Der Generator i kann auch zur Speisung verschiedener Hilfseinrichtungen,
z. B. Schutzvorrichtungen für die Gleichrichter, verwendet werden. Die Erregerwicklung
13 des Generators 2 liegt in Reihe miteinem Widerstand 28 und einem Regelwiderstand
29 an den Leitungen 25 und 26. Die an dem Nebenschlußwiderstand 31 liegende Erregerwicklung
3o dient zu einer zusätzlichen Kompoundierun.
g der Maschine 2,
deren Sinn durch die Richtung der Durchflutung festgelegt ist.
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Der Regelwiderstand 29 ermöglicht die Einstellung erheblich verschiedener
Netzspannungen.
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Als Schutzvorrichtung für den Steuersatz r, gegen grobe Störungen
im Netz oder in den Gleichrichtern ist ein elektrisches Ventil32 vorgesehen. Dieses
Ventil ermöglicht es, daß im Falle eines starken Abfallens der Netzspannung; beispielsweise
bei einem Kürzschluß oder beim Erlöschen des Lichtbogens im Gleichrichter, die.Erregung
der Wicklung 13- von der Maschine i geliefert und dadurch ein Umfallen des
Steuersatzes vermieden wird. Zu diesem Zweck wird: der Widerstand 28 derart eingestellt,
daß, wenn der Gleichrichter mit der richtigen Spannung arbeitet, das Potential des
Punktes 33 negativer ist als das Potential des Punktes 34. Unter diesen Bedingungen
fließt durch das Ventil32 kein Strom, außerdem wird die Charakteristik nicht geändert.
Ist jedoch die gleichgerichtete Spannung bzw. die Netzspannung gleich Null oder
wird sie verringert, so ist das Potential des Punktes 34 negativer als das Potential
des Punktes 33. Es kann also ein Strom fließen und die Wicklung 13 von dem
Generator i gespeist werden.
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Die zusätzliche Erregerwicklung 35 des Generators i liegt zwischen
den Nebenschlußwiderständen 31 und 31, der beiden parallel geschalteten Gleichrichter
und ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung der Belastung auf die beiden Gleichrichter.
Ist die Belastung des Gleichrichters 25; 26 größer als diejenige des anderen Gleichrichters,
so- ist auch der Spannungsabfall i i an .dem Nebenschlußwiderstand 31 größer
als derjenige an dem Nebenschlußwiders.tand 3 i'. Es wird infolgedessen in der Wicklung
35 ein # Strom fließen, welcher die Erregung des Generators i herabsetzt und die
Zündung des Gleichrichters 25, 26 verzögert; während die entsprechende, in der Zeichnung
nicht dargestellte Steuereinrichtung für den anderen Gleichrichter eine Beschleunigung
der Zündung dieses Gleichrichters hervorrufen wird. Anstatt die Leistung gleichmäßig
auf die beiden Gleichrichter zu verteilen, kann natürlich jede andere Verteilung
erreicht werden, beispielsweise durch geeignete Einstellung der Widerstände
31 und 31' oder der Wicklung 35 und der entsprechenden Wicklung der in der
Zeichnung nicht dargestellten Einrichtung.
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Abb.4 zeigt eine Anordnung, welche die Herstellung einer Konstäntstromcharakteristik
mit Über- oder Unterkompoundierung durch die gleichgerichtete Spannung, und zwar
durch selbsttätige Regelung der Spannungsverteilung auf die beiden in Reihe geschalteten
Gleichrichter, ermöglicht. Diese Gleichrichter sind nur durch die Leitungen 36 und
37,- welche die ihnen zugehörigen Einheiten mit den Plus- und Minuspolen des Gleichstromhetzes
verbinden, und durch die Leitung 38 angedeutet, die mit dem gemeinsamen Punkt der
beiden Gleichrichter verbunden ist. Der Generator i wird wiederum f'ü'r die Potentialsteuerung
verwendet. Die Haupterregerspule 13 des Generators 2 liegt an dem Nebenschlußwiderstand
39, Eine an den Klemmen 36; 38 der gleichgerichteten Spannung liegende Wicklung.4.o
ermöglicht die Änderung des in Abhängigkeit von der Spannung geregelten Stromes
in dem einen oder anderen Sinne. Die Erregerwicklung 4 i des Generators i liegt
an dem beiden Gleichrichtern ,gemeinsamen Punkt 38 und an der Mittelanzapfung 42
eines Spamlungsteilers 43, der selbst an den Klemmen der Gesamtspannung liegt und
eine gleichmäßige Verteilung der Spannungen auf die beiden Gleichrichter ermöglicht.
Es ist natürlich auch jede andere Verteilung der Spannungen möglich. Ist die Spannung
des Gleichrichters 36, 38 höher ,als diejenige des Gleichrichters 37, 38, so wird
,die Wicklung 4i von einem Ström durchflossen; der die Erregung des Generators i
herabsetzt oder sogar entregt und die Zündung des Gleichrichters 3:6, 38 verzögert,
während die in der Zeichnung nicht dargestellte Einrichtung für den Gleichrichter
37, 38 eine beschleunigende Zündung des Gleichrichters hervorruft.
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Der Gegenstand der Erfindung kannzweckmäßig zur Kompoundierung von
Gleichrichtern mit Hilfe von Steuergittern verwendet werden; die zur Speisung von
elektrischen Antrieben dienen.