-
Steuerungsanordnung für Gleichstrommaschinen, deren Felderregung von
einem Steuergenerator geregelt wird Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische
Steuerungssysteme für Gleichstrommaschinen, deren Felderregung von einem Steuergenerator
geregelt wird, insbesondere auf die Steuerung von Gleichstrommotoren.
-
Beim Betrieb eines Steuergenerators mit einer Fremderregungswicklung
zur Felderregungsregelung eines Motors reagiert der Steuergenerator sehr rasch auf
Änderungen in der Einstellung der Fremderregung, was im allgemeinen ein wesentliches
Merkmal solcher Steuergeneratoren ist. In manchen Fällen aber verursacht die plötzliche
Änderung der Felderregung des Motors in der Übergangszeit, in der der Motor von
einer Drehzahl auf die andere beschleunigt bzw. verzögert wird, einen beträchtlichen
Strom in seinem Anker.
-
Die Erfindung vermeidet diese Schwierigkeiten durch das =1tibringen
einer feldschwächenden Feld-Wicklung am Steuergenerator, die derart geschaltet ist,
daß ihr magnetisches Feld dem Feld der Fremderregerwicklung während der auf die
Einstellung der Erregung der Fremderregerwicklung folgenden Übergangszeit entgegenwirkt.
-
Die schwächende Feldwicklung wird vorzugsweise in Abhängigkeit der
Differenz zwischen der Klemmenspannung des Steuergenerators und. der an die Motorfeldwicklung
angelegten Spannung erregt.
-
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird ein Steuergenerator
zur Erregung der Feldwicklung einer Erregermaschine benutzt, die die Erregungsenergie
für einen in einem Steuerungssystem veränderlicher Spannung geschalteten Motor liefert.
Die Fremderregerwicklung des Steuergenerators wird durch einen Hauptschalter geregelt.
Eine Differentialfeldwicklung wird in Abhängigkeit
des in der Motorfeldwicklung
fließenden Stromes erregt. Das Pendeln der lfaschine wird durch eine Dämpfungsfeldwicklung
geschwächt, die abhängig vom Wert des Motorfeldstromes erregt wird. Die Höchstwerte
des Ankerstromes, die sonst durch die plötzliche Verstärkung des Motorfeldes entstehen
würden, werden mit Hilfe einer schwächenden Feldwicklung heruntergesetzt, die abhängig
von der -Differenz zwischen der Klemmenspannung des Steuergenerators und derjenigen
der die elektrische Energie der bIotorfeldwicklungen liefernden Erregermaschine
erregt wird. Die feldschwächende Wicklung ist derart geschaltet, daß ihre magnetomotorische
Kraft derjenigen der Fremderregerwicklung entgegenwirkt, so daß sie den Zuwachs
der Klemmenspannung des Steuergenerators verzögert.
-
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung wird an Hand von Beispielen
erklärt und in der Zeichnung dargestellt.
-
Fig. i stellt eine schematische Ansicht eines 1lotorsteuerungssystems
dar; Fig.2 zeigt eine Anzahl charakteristischer Betriebskurven, wobei die im Betrieb
des in Fig. i gezeigten Systems gegenüber anderen, nicht erfindungsgemäßen Systemen
erzielte Verbesserungen dargestellt werden.
-
In Fig. i stellt die Bezugsnummer io ein Stetferungssystem für einen
reversiblen Hauptmotor 12 dar, der .in einem von einem Steuergenerator 13 gespeisten
System veränderlicher Spannung geschaltet ist.
-
Der Hauptmotor 12 besteht aus einem Läufer 14, einer Hauptfeldwicklung
15, einer strombegrenzenden Feldwicklung 16 und einer Kompensationswicklung 17.
Die Kompensationswicklung 17 ist mit dem Läufer 14 in Reihe geschaltet und wird
vom Hauptgenerator 13 erregt, der einen Läufer 18, eine Kompensationswicklung i9
und eine Hauptfeldwicklung 2o besitzt.
-
Die Klemmenspannung des Hauptgenerators 13
wird durch Änderung
der Erregung der HauptfeldwiCklung 20 geregelt; welch letztere mit einer Quelle
elektrischer Energie, wie z. B. einer Erregermaschine 22, verbunden ist. Die Erregermaschine
besteht aus einem Läufer 23, der von einem Motor 24 angetrieben wird, und aus einer
Feldwicklung 25. Die Feldwicklung 25 wird von einem Steuergenerator 27 erregt, der
aus einem Läufer 28, einer pendelungdämpfenden Wicklung 29, einer Selbsterregerfeldwicklung
30, einer Differentialfeldwicklung 31 und einer Fremderregerw-icklung 32 besteht.
-
Die Fremderregerwicklung 32 ist mit einer geeigneten Quelle elektrischer
Energie verbunden zum Zweck der veränderlichen Erregung mit Hilfe einer Anzahl von
Regelwiderständen 34, 35 und 36 und mit Hilfe von Vorwärts- und Riickwärtsrelais
38 und 39, welche Steuerwicklungen 40 und 41 besitzen, die über einen Hauptschalter,
welcher von der Walzenbauart sein kann, erregt werden.
-
Die Differentialfeldwicklung 31 ist parallel zum Kreis des Läufers
18 des Hauptgenerators geschaltet, so daß sie in Abhängigkeit von der Klemmenspannung
des Generators erregt wird, und zwar' ist ihre Erregung so gerichtet, daß sie der
magnetomotorischen Kraft der Freinderregerwicklung 32 entgegenwirkt.
-
Die Selbsterregerfeldwicklung 30 ist mit der Hauptfeldwicklung
20 und mit. der Läuferwicklung 23 der Erregermaschine 22 in Reihe geschaltet, so
daß sie in Abhängigkeit des Wertes des Erregerstromes des Hauptgenerators erregt
wird. Die pendelungdämpfende Feldwicklung 29 ist zur Hauptfeldwicklung 20 parallel
geschaltet, wobei ihre magnetomotorische Kraft so eine Richtung einnimmt, daß sie
der magnetomotorischen Kraft der Selbsterregerfeldwicklung 3o entgegenwirkt.
-
Die Hauptfeldwicklung 15 des Motors 12 wird von einer Erregermaschine
45 erregt, die aus einem Läufer 46 und aus einer Feldwicklung 47 besteht. Die Erregermaschine
erzeugt eine genügend hohe Klemmenspannung, um die Erregung der Wicklung 15 zu erzwingen,
mit dem Zweck, rasche Änderungen im Betrieb des Motors zu verursachen. Die Klemmenspannung
der Erregermaschine 45 wird mit Hilfe eines motorsteuernden Generators
50 geregelt, der aus einem Läufer 51, einer Fremderregerwicklung 52, einer
Differentialfeldwicklung 53, einer pendelurrgdämpfenden Feldwicklung 54, einer strombegrenzenden
Feldwicklung 55 und einer feldschwächenden Feldwicklung 56 besteht.
-
Die Fremderregerwicklung 52 wird von einer geeigneten Quelle elektrischer
Energie über eine Anzahl Regelwiderstände 57, 58 und 59 mit Hilfe des Hauptschalters
43 veränderlich erregt, so daß eine veränderliche Regelung der Klemmenspannung des
Steuergenerators 5o möglich ist. Die Differentialfeldwicklung 53 ist mit der Hauptfeldwicklung
15 und dem Läufer 46 der Erregermaschine 45 in Reihe geschaltet und wird in Abhängigkeit
des `'Wertes des Motorerregungsstromes derart erregt, daß ihre magnetomotorisclle
Kraft derjenigen der Fremderregerwicklung 52 entgegenwirkt. Die pendelungdämpfende
Feldwicklung 54 ist zur Hauptfeldwicklung 15 parallel geschaltet, so daß sie in.
Abhängigkeit des in der Hauptfeldwicklung fließenden Stromes erregt wird.
-
Die Höchstwerte des Ankerstromes des Hauptmotors 12 werden durch Benutzung
eines Strombegrenzungsgenerators 6o begrenzt, der aus einem Läufer 61, einer Strombegrenzungsfeldw,icklung
62 und einer kurzgeschlossenen Feldwicklung 64 besteht. Der Strombegrenzungsgenerator
6o gehört zu solch einer Bauart, die so eine Charakteristik hat, daß die Klemmenspannung
des Generators genau auf dem Wert o bleibt, bis die Erregung der Feldwicklung 62
einen vorbestimmten Wert erreicht, worauf dann die Klemmenspannung rasch ansteigt.
-
Die Feldwicklung 62 des Generators 6o wird in Abhängigkeit des Läuferstromes
des Hauptmotors 12 erregt, wobei sie z. B. parallel zur Kompensationswicklung 17
und in Reihe zu einem Regelwiderstand 66, zur Einstellung des Läuferstromwertes,
auf den der Hauptmotor 12 begrenzt werden soll, geschaltet ist. Der Läufer 61 ist
mit der Strombegrenzungsfeldwicklung
16 des Hauptmotors und mit
der Strombegrenzungsfeldwicklung 55 des motorsteuernden Generators 5o mit Hilfe
von Vorwärts- und Rückwärtsrelais 67 und 68, die über den Hauptschalter erregte
Steuerwicklungen 69 und 70 besitzen, verbunden.
-
Um eine wirksamere Begrenzung der Höchstwerte des Läuferstromes des
Hauptmotors 12 zu erreichen, in der Zeit, in der der Motor als Generator läuft,
wenn die Erregung der Hauptfeldwicklung 15 auf Grund der Tätigkeit des Hauptschalters
43, der die Regelwiderstände 58 und 59 überbrückt, verstärkt wird, ist die feldschwächende
Feldwicklung 56 zur Erregung unter diesen Verhältnissen angebracht, wobei ihre Erregungsrichtung
derart ist, daß ihre magnetomotorische Kraft derjenigen der Fremderregerwicklung
52 entgegenwirkt. Für diesen Zweck ist die «'icklung 56 zwischen einer Klemme des
Läufers 51 des Steuergenerators und einem einstellbaren Abgreifer 72 eines Spannungsteilers
73 geschaltet, welch letzterer parallel zum Läufer .46 der llotorerregermaschine
45 geschaltet ist. Auf diese Weise wird die feldschwächende Feldwicklung 56 in Abhängigkeit
der Differenz zwischen der Klemmenspannung des motorsteuernden Generators 5o und
einem gewünschten Teil der Klemmenspannung der Motorerregermaschine 45, und zwar
nur, wenn diese Differenz besteht, erregt. Der :'\l>greifer 72 ist einstellbar mit
dem Zweck, die Wirkung der Wicklung 56 zu verändern. Eine Vorrichtung, die den Strom
nur in einer Richtung hindurchläßt, wie z. B. ein Gleiehrichter 75, ist mit der
feldschwächenden Feldwicklung 56 derart in Reihe geschaltet, daß eine Erregung dieser
Wicklung verhindert wird, wenn der Hauptschalter 43 in einer solchen Richtung betätigt
wird, daß die Erregung der Hauptfeldwicklung 15 geschwächt wird.
-
Für den Zweck, einen verhältnismäßig hohen Wert der Generatorspannung
zu erzeugen, sooft das Feld des Motors 12 plötzlich verstärkt wird, ist ein Stromrelais
78 vorgesehen, dessen Spule 79 mit der Hauptfeldwicklung 15 des Motors 12 in Reihe
geschaltet ist. Ein Hilfssteuerrelais 82 ist vorgesehen, das eine Kraftspule 83
besitzt, die durch den gewöhnlich geschlossenen Kontakt 78a des Stromrelais 78 von
einer geeigneten Quelle elektrischer Energie erregt wird. Das Stromrelais 78 ist
so angeordnet, daß es über das Hilfsrelais 82 die Regelwiderstände 35 und 36 überbrücken
kann, um eine verhältnismäßig'hohe Klemmenspannung des Hauptgenerators 13 sicherzustellen,
wenn der Hauptschalter :I3 zwecks Umsteuerung des Motors 12 so schnell betätigt
wird, daß die Erregung seiner Iiauptfeldwicklung i 5 nicht genügend Zeit zu ihrer
Verstärkung hat, bevor der Hauptschalter 43 /beim Übergang auf die Lage für umgesteuerten
Betrieb eine Schwächung der Erregung der Feldwicklung 20 des Hauptgenerators bewirkt.
Ein Spannungsrelais 85, das auf die Spannung des Hauptgenerators 13 anspricht, ist
zur Überbrückung der Regelwiderstände 58 und 59 vorgesehen, mit dem Zweck, eine
verhältnismäßig starke Felderregung des Motors sicherzustellen, sooft sieh die Spannung
des Generators 13 unter einem vorbestimmten Betriebswert befindet.
-
Im Betrieb werden, die Vorwärtsrelais 38 und 67 über Segment 430 des
Hauptschalters 43 erregt, wenn er in die Vorwärtslage gedreht wird. Die Klemmenspannung
der Motorerregermaschine 45, die durch die Erregung der Fremderregerwicklung 52
des motorsteuernden Generators bestimmt wird, wird zunächst einen Höchstwert annehmen,
da die Regelwiderstände 58 und 59 am Anfang durch einen Leiter 88 und durch das
Segment 43c des Hauptschalters überbrückt sind. Die Klemmenspannung des Hauptgenerators
13 nimmt zunächst einen niedrigsten Wert an, da die Fremderregerwicklung 32 seines
Steuergeneratdrs 27 am Anfang über Segment 43c des Hauptschalters an die in Reihe
mit den Regelwiderständen 34, 35 und 36 geschaltete Quelle elektrischer Energie
angeschlossen ist.
-
Während der Hauptschalter 43 hintereinander in der Vorwärtsrichtung
in verschiedene Lagen gedreht wird, werden die Regelwiderstände 36 und 35 nacheinander
überbrückt, so daß die Erregung der Fremderregerwicklung 32 verstärkt wird, wodurch
die Klemmenspannung des Hauptgenerators 13 größer wird, so daß der Hauptmotor 12
beschleunigt wird. Eine weitere Drehung des Hauptschalters 43 in der Vorwärtsrichtung
trennt den Leiter 88 von dem Segment 43c und öffnet die Überbrückung der Regelwiderstände
58 und 59, die sich mit der Fremderregerwicklung 52 des motorsteuernden Generators
in Reihe geschaltet befinden, in aufeinanderfolgenden Lagen des Hauptschalters,
so daß der Hauptmotor 12 weiter beschleunigt wird.
-
Sollte die Erregung der Fremderregerwicklung 52 rasch ansteigen auf
Grund einer schnellen Drehung des Hauptschalters 43 in der Umsteuerungsrichtung,
wobei die Regelwiderstände 59 und 58 nacheinander überbrückt werden, so würde .der
Läuferstrom des Hauptmotors 12 danach trachten, seine Richtung zu ändern auf Grund
seines Generatorbetriebes. Die Klemmenspannung des motorsteuernden Generators 5o
aber steigt an, bevor die Klemmenspannung der Motorerregermasrhine 45, die von i'hm
gesteuert wird, ansteigt, so daß ein Erregerstrom durch die feldschwächende Feldwicklung
56 getrieben wird, der durch die Differenz zwischen den Klemmenspannungen des Steuergenerators
5o und der Erregermaschine 45 bedingt ist. Da die magnetomotorische Kraft der feldschwächenden
Feldwicklung 56 derjenigen der Fremderregerwicklung 52 entgegenwirkt, wird der Anstieg
der Klemmenspannung des Steuergenerators 50, der von der Erregung der Fremderregerwicklung
52 bestimmt wird, gehemmt werden, solange eine Differenz zwischen den Klemmenspannungen
des Steuergenerators und der Erregermaschine besteht. Dieses verursacht eine Schwächung
der an der Hauptfeldwicklung 15 liegenden Spannung, so daß die Verstärkung der Erregung
des Motorfeldes verzögert wird.
-
Die Wirkung kann an Hand der in Fig.2 dargestellten Kurven klar beobachtet
werden, wobei die ausgezogenen Kurven a, b, c und d jeweils die an
der
Motorfeldwicklung 15 angelegte Spannung a, den Strom b der Erregermaschinenfeldwicklung
47, die Klemmenspannung c des Steuergenerators 5o und den Strom d der Motorfeldwicklung
15 darstellen. Diese Kurven stellen die Betriebswerte dieser Größen dar, wenn der
Hauptschalter 43 so betätigt wird, daß eine Verstärkung der Erregung der Hauptfeldwicklung
15 des Hauptmotors 12 eintritt bei solchen Betriebsverhältnissen, bei denen der
Tnotorsteuernde Generator 5o nicht mit einer feldschwächenden Feldwicklung 56 versehen
ist. Die gestrichelten Kurven a', b', c' und d' stellen die entsprechenden
Werte der Größen unter denselben Betriebsbedingungen dar, wobei der motorsteuernde
Generator 50 mit einer feldschwächenden Feldwicklung 56 gemäß der vorliegenden
Erfindung versehen ist.
-
Es ist zu ersehen, daß die verhältnismäßig hohe maximale Spannurig
des Stepergenerators 5o, die durch die Kurve c dargestellt wird, beträchtlich verringert
wird, wie die gestrichelte Kurve c' zeigt. Da die feldschwächende Feldwicklung 56
dieser Maschine in Abhängigkeit von der Differenz der Klemmenspannung des Steuergenerators
50 und der Erregermaschine 45 erregt wird, wobei besagte Differenz durch
die viel raschere Reaktion des Steuergenerators entsteht, dessen Klemmenspannung
offensichtlich schneller als diejenige der von ihm gesteuerten Erregermaschine 45
anwächst, zeigt sich diese Verringerung der Klemmenspannung des Steuergenerators
in der an die Hauptfeldwicklung 15 des Motors 12 angelegten Spannung, wie
sie von der Kurve ä dargestellt wird.
-
Während diese Spannung angenähert denselben Höchstwert wie die Kurve
a erreicht, erkennt man, daß der Höchstwert der Kurve ä später erreicht wird auf
Grund des Verzögerungseffektes der feldschwächenden Feldwicklung. Diese Verlagerung
des Höchstwertes der Spannungskurve verursacht eine entsprechende Verzögerung im
Anstieg des Erregerstromes der Hauptfeldwicklung 15, was durch die Verlagerung der
Kurve d' in der Richtung rechts der Kurve d gezeigt wird. Demgemäß wird die Verstärkung
der Erregung der Hauptfeldwicklung 15 verzögert, und die Höchstwerte des Motorläuferstromeswerden
erniedrigt.
-
Obwohl die gespeicherte kinetische Energie im Hauptmotor 12 proportional
dem Quadrat der Drehzahl ist, erlaubt der verzögerte Anfangsanstieg der Feldverstärkung,
auf Grund der Wirkung der feldschwächenden Feldwicklung 56, die gleichförmige Zurücklieferung
der Motorenergie an den Hauptgenerator 13 und an dessen Antriebsmotor, ohne daß
ein steilansteigender Anfangshöchstwert während der Zeit, in der der Motor als Generator
läuft, entsteht.
-
Sobald die Spannung der Motorerregermaschine 4,5 gleich derjenigen
des Steuergenerators 5o ist, wird die feldschwächende Feldwicklung 56 entregt, so
daß sie die Eigenschaften des Steuergenerators bei normalem, stationärem Betrieb
nicht beeinflußt. Auf Grund der Wirkung des Gleichrichters 75 kann das Feld des
Hauptmotors 12 geschwächt werden, ohne daß die Erregung der feldschwächenden Feldwicklung
56 beeinflußt wird, so daß die Änderung der Erregung der Hauptfeldwicklung 15 verzögert
wird.
-
Aus der obigen Beschreibung wird verständlich, daß die feldschwächende
Feldwicklung 56 in jeder Art von Steuersystemen, Spannungsregelungssystemen u. dgl.
mit Steuergeneratoren angewendet werden kann. Durch Anwendung von Einwegleitern
75 passender Polarität kann die feldschwächende Wicklung zur Begrenzung der Läuferstromhöchstwerte
bei Änderungen der Motorfeldstärke in der einen oder in der anderen Richtung benutzt
werden. Durch Weglassen der Gleichrichtervorrichtung 75 kann die feldschwächende
Feldwicklung 56 zur Verringerung der Änderungsgeschwindigkeit der Feldstärke in
beiden Richtungen benutzt werden, falls dieses erwünscht ist.