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Verfahren zum selbsttätigen Betrieb von Asynchrongeneratoren Wird
eine an ein Netz ein- oder mehrphasig angeschlossene Asynchronmaschine übersynchron
angetrieben, so wird sie zum Generator. Sie muß aber hierbei ihren Erregerstrom
nach wie vor aus dem Netz beziehen und ist nicht in der Lage, selbständig als takthaltender
Generator zu arbeiten. Dieses ist aber mglich, wenn parallel zu ihren Klemmen ein
Kondensator genügender Größe geschaltet wird. Bei den bisher bekanntgewordenen Schaltungen
bzw. Verfahren ist jedoch der Betrieb recht unbefriedigend, weil mit zunehmender
Belastung die Maschine rasch an Spannung verliert.
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Die Erfindung zeigt nun einen Weg, wie man diese Schaltung so weit
verbessern kann, daß die Spannung oder der Strom der Maschine in Abhängigkeit von
der Belastung nach einer gewünschten Gesetzmäßigkeit verlaufen.
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Den Betriebspunkt einer Asynchronmaschine mit parallel geschaltetem
Kondensator erhält man bekanntlich durch den Schnitt der geradlinig verlaufenden
Stromspannungskennlinie des Kondensators mit der gekrümmten Kennlinie der Asynchronmaschine.
Bei der tBelastung geht die Leerlaufkennlinie der Maschine in die Belastungskennlinie
über, die wegen der lastabhängigen Spannungsabfälle niedriger liegt als die Leerlaufkennlinie,
so daß bei gleicher Frequenz der Schnittpunkt mit. der Kondensatorkennlinie erheblich
tiefer liegt. Mit zunehmender Belastung nimmt gewöhnlich die Drehzahl der antreibenden
Kraftmaschine ab. Infolgedessen wird auch die Frequenz des Generators kleiner. Bei
kleiner Frequenz liegen aber die Kennlinien der Maschine tiefer, weil zum gleichen
Erregerstrom eine kleinere Spannung als früher gehört. Die Kondensatorkennlinie
dagegen verläuft steiler, weil der Widerstand des Kondensators mit fallender Frequenz
zunimmt. Die Bedingungen für einen stabilen Schnittpunkt der beiden Kennlinien werden
daher immer ungünstiger, so daß es von einer gewissen Belastung an leicht zum völligen
Zusammenbruch der Spannung kommen kann.
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Gemäß der Erfindung wird beim Absinken der Spannung oder dem Ansteigen
des Stromes unter oder über einen vorbestimmten Sollwert,die Drehzahl
des
Generators erhöht oder konstant gehalten.
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Beispielsweise wird erfindungsgemäß dafür gesorgt, daB mit zunehmender
Belastung die Drehzahl der den Asynchrongenerator antreibenden Antriebsmaschine
nicht ab-, sondern zunimmt. Dadurch rücken die Maschinenlinien höher und außerdem
verläuft die Kondensatorenkennlinie flacher, so daß die Voraussetzungen für einen
stabilen Schnittpunkt der beiden Kennlinien zur Einhaltung einer gleichbleibenden
Spannung wieder gegeben sind. Man kann demnach durch Beeinflussung der Drehzahl
der Antriebsmaschine die Spannung bei allen Belastungen auf einem gleichbleibenden
Wert halten, ohne daß im elektrischen Stromkreis Regler, Erregermaschinen oder sonstige
Zusatzgeräte erforderlich sind. Die Anordnung wird dadurch überaus einfach und betriebssicher,
ohne daß deswegen die Ansprüche in bezug auf Spannungsgenauigkeit geringer sein
müßten.
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Die Drehzahl der Antriebsmaschine kann man beispielsweise dadurch
ändern, daß die Kraftmittelzufuhr für die Antriebsmaschine geregelt wird. Wird die
Asynchronmaschine von einem Gleichstrommotor angetrieben, so kann man die Drehzahl
durch Beeinflussung der Erregung des Motors ändern. Statt den Generator von der
Antriebsseite aus so zu beeinflussen, daß seine Spannung oder sein Strom in Abhängigkeit
von der Belastung nach einer gewünschten Gesetzmäßigkeit verlaufen, kann man dies
unter Ausnutzung des Bestrebens des Generators, mit zunehmender Drehzahl seine Spannung
zu erhöhen, auch in der Weise erreichen, daß man- den Generator von der Belastungsseite
her beeinflußt. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise in Abhängigkeit von der
Spannung Zusatzwiderstände im Stromkreis der Asynchronmaschine zu- .oder abschalten
oder die Asynchronmaschine über Gleichrichter auf eine Sammelbatterie arbeiten lassen,
die bewirkt, daß mit steigender Drehzahl und damit steigender Spannung die Belastung
selbsttätig erhöht wird, wodurch die Spannungsänderung in engen Grenzen gehalten
werden kann.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt.
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Bei der Anordnung nach Fig. i ist mit i eine ,Dr-ehstromsynchronmaschine
normaler Bauart mit Kürzschlußläufer bezeichnet, die von einer Kraftmaschine 2 angetrieben
wird. Zur Deckung des Blindstrombedarfs sowohl bei Leerlauf als auch bei Belastung
ist ein Kondensator 3 vorgesehen. Die ,Belastung ist durch einen Ohmschen Widerstand
4. und einen Motor 5 dargestellt. Um durch den Motor 5 keine Störung der Blindlastverhältnisse
eintreten zu lassen, empfiehlt es sich, die von diesem Motor gebildete induktive
Last durch einen besonderen Kondensator 6 zu kompensieren. Die Spannungsregelung
des Generators erfolgt durch das die Energiezufuhr der Kraftmaschine2 regelnde Steuerger.ät
7 (Drosselklappe, Ventile, Regler usw.), das von Hand oder durch eine von der Spannung
beeinflußte Steuerspule 8 betätigt werden kann.
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Die Verhältnisse bei Leerlauf und Belastung gehen aus Fig. 2 hervor.
Es ist hier die Spannung U des Asynchrongenerators bzw. des Kondensators über dem
von ihnen aufgenommenen Blindstrom T B dargestellt. Mit I ist die Leerlaufkennlinie
der Asynchronmasohine bei Nennfrequenz; mit Il die Vollastkennlinie ebenfalls bei
Nennfrequenz bezeichnet, während III die Kondensatorkennlinie bei Nennfrequenz darstellt.
Bei Leerlauf ergibt sich als Betriebspunkt der Schnittpunkt a der Kurve I mit der
Geraden III. Würde die Leerläuffrequenz auch hei Vollast beibehalten werden, so
würde sich bei Vollast der Betriebspunkt b als Schnitt der Geraden III mit der Belastungskennlinie
II ergeben. Wie man sieht, liegt dieser Punkt wesentlich unter dem Leerlaufpunkt
a. Bei einer höheren Belastung würde kein stabiler Betriebspunkt mehr möglich sein.
Steigert man nun erfindungsgemäß durch Erhöhung der Betriebsdrehzahl die im Ständer
der Asynchronmaschine auftretende Frequenz um z. B. 15%, so erhält man eine Vollastkennlinie
IIa, während gleichzeitig die Kondensatorkennlinie durch die Gerade IIIa dargestellt
wird. Die beiden liefern den stabilen Schnittpunkt c, der gegenüber dem Sollwert
der Spannung einen etwas zu hohen Wert darstellt. Durch Wahl einer kleineren Drehzahl
kann leicht der richtige Wert der Spannung hergestellt werden. Man sieht, daß es
durch Änderung der Drehzahl der Antriebsmaschine möglich ist, die mit dem bisherigen
Verfahren verbundenen Nachteile, die von der bei Last abfallenden Drehzahl herrühren
und einen zufriedenstellenden Betrieb nicht erlauben, auf die einfachste Weise zu
vermeiden.
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Hinzuweisen ist bezüglich der Anordnung darauf, daß im elektrischen
Stromkreis überhaupt keine Kontakte, keine Erregermaschinen, keine Schleifringe,
keine Regler und auch keine Schalter benötigt werden, wenn man von den Schaltern
zum Zu- und Abschalten der Last und den Schaltern zum Zu- und Abschalten der Asynchronmaschine
absieht. Dies ist ein Vorzug, den keine der bisher bekanntgewordenen Generatoranordnungen
mit Synchron- oder Asynchronmaschine aufweist. Die erfindungsgemäße Anordnung eignet
sich daher besonders für selbsttätig arbeitende Anlagen ohne Wartung. Unter Verzicht
auf eine genaue Einhaltung der Frequenz, die in den meisten Fällen für solche Anlagen
ohne Belang ist, gelingt es erfindungsgemäß, durch Beeinflussung der Energiezufuhr
von der Spannung eine gleichbleibende Spannung bei allen Belastungen zu erzielen.
Besonders hervorzuheben ist, daß keinerlei Fremderregung erforderlich ist. Sobald
der Generator in den Bereich seiner Solldrehzahl kommt, beginnt selbsttätig die
Erregung.
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Auch das Parallelarbeiten mehrerer Generatoren ist ohne weiteres möglich.
Man weist auch hier, wie es sonst üblich ist, einem Generator die Spannungshaltung
zu und läßt die übrigen Generatoren Grundlast fahren. Die Frequenz im Netz entspricht
hierbei der Drehzahl des spannunghaltenden Generators, vermindert um dessen Schlupf.
Letzten Endes bestimmt die Größe des Kondensators diejenige Frequenz, bei der sich
der Sollwert der Spannung einstellt,
so daß man durch entsprechende
Abstimmung zwischen Asynchronmaschine und Kondensator die Frequenz höher oder tiefer
legen kann. Der spannunghaltende Generator regelt hierbei im Gegensatz zu der bei
Synchrongeneratoren üblichen Arbeitsweise die Spannung durch Erhöhung oder Verminderung
seiner Drehzahl.
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In der Fig. i ist mit 9 ein Generator bezeichnet, der von seiner Antriebsmaschine
io angetrieben wird und parallel zu dem geregelten Asynchrongenerator i arbeitet.
Die Antriebsmaschine io erhält gleichbleibende Energiezufuhr, so daß auch der Generator
9 bestrebt sein wird, eine gleichbleibende Leistung an das Netz abzugeben.
Dementsprechend stellt sich auch der Schlupf dieses Generators ein. Zur Deckung
des Blindleistungsbedarfs des Asynchrongenerators 9 dient ein Kondensator i i. Der
Unterschied zwischen dem Bedarf des Netzes und der Leistung des Generators 9 wird
von dem Generator i geliefert, dessen Antriebsmaschine 2 durch Regelung ihrer Energiezufuhr
in Abhängigkeit von der Spannung beeinflußt wird. In entsprechender Weise kann auch
mit dem Asynchrongenerator i ein Synchrongenerator parallel arbeiten, dessen An
triebsmaschine mit gleichbleibender Energiezufuhr betrieben wird.
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Wähnend bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. i die dem Generator zugeführte
Antriebsleistung in Abhängigkeit von der Spannung geregelt wird, ist in Fig.3 ein
Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem die Energiezufuhr der den Generator
antreibenden Kraftmaschine unverändert bleibt. Schwankungen der Generatorbelastung
werden in ihrem Einfluß auf die Drehzahl des Generators und in ihrem Einfluß auf
die Generatorspannung dadurch auskompensiert, daß in Abhängigkeit von der Generatorspannung
bei Schwankungen der Nutzbelastung zusätzliche Belastungswiderstände zu- oder abgeschaltet
werden, wodurch die Generatordrehzahl und damit auch die Generatorspannung im Sinne
einer Konstanthaltung der letzteren geregelt wird.
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In Fig. 3 ist mit I wieder die Asynchronmaschine, mit 2 ihre Antriebsmaschine
und mit 3 der Kondensator bezeichnet. Die zu- und abschaltbaren Verbraucher tragen
das Bezugzeichen 5. Sie sind zur Kompensierung ihrer Blindleistung mit Kondensatoren
6 versehen. Erfindungsgemäß ist ein regelbarer Widerstand. vorgesehen, der die vom
Generator i gelieferte überschüssige Leistung aufnimmt. Steuert man diesen Widerstand
durch die Spannung z. B. über das Spannungsrelais 8, so kann die Spannung im Netz
trotz wechselnder Belastung konstant gehalten werden. Wird im Netz die Belastung
teilweise abgeschaltet, so steigt die Drehzahl des Generators und damit die Spannung.
Die Folge ist, daß das Spannungsrelais den Widerstand q. so verändert, daß die Belastung
des Generators 6 zunimmt, bis die Spannung 6 wieder ihren ursprünglichen Wert annimmt.
Das Spannungsrelais kann dabei auch in der Weise ausgebildet sein, daß ein durch
eine Feder am Hochlaufen verhinderter Asynchronmotor den Widerstand ¢ betätigt.
Die Anordnung nach Fig. 3 ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Beeinflussung
der Energiezufuhr der Kraftmaschine Schwierigkeiten bereitet oder nicht auf einfache
Weise lösbar ist.
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An Stelle eines derartigen Belastungswiderstandes ,4, der in Abhängigkeit
von der Spannung eingestellt wird, kann man auch einen Belastungswiderstand verwenden,
der selbsttätig seine Stromaufnahme mit Änderung der Spannung ändert. Ein derartiger
Widerstand ist z. B. eine Sammlerbatterie, die über Gleichrichter von dem Asynchron-,-en,-
rator aufgeladen wird. Hier wird durch die Charakteristik der Sammlerbatterie eine
ungefähr gleichbleibende Spannung beim Zu- und Abschalten der Verbraucher 5 erreicht,
da sich die aufgenommene Leistung der Batterie bei geringen Spannungsänderungen
bereits erheblich ändert. Eine solche Einrichtung ist insbesondere geeignet, wenn
der Asynchrongenerator reit wechselnder Energiezufuhr, z. B. durch Windkraft, angetrieben
wird.
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Fig.4 zeigt hierfür ein Ausführungsbeispiel. Soweit die Teile mit
denen der vorhergehenden Figuren übereinstimmen, sind die gleichen B@ezugzeichen
gewählt. Als Antriebsmaschine für den Asynchrongenerator dient ein Windmotor 2.
Die Höhe der Spannung wird durch eine Sammlerbatterie 12 bestimmt, die über den
Gleichrichter 13
geladen wird. Ein Teil der Verbraucher 5, die z. B. Asynchrongeneratoren
sein können, wird hierbei unmittelbar mit Drehstrom gespeist, während die an der
Batterie liegenden Verbraucher 1q. sich auf Licht oder sonstigen wichtigen. Bedarf
beschränken können. Man erhält auf diese Weise nur kleine Abmessungen für Gleichrichter
und Batterie und dementsprechend auch kleine Anlagekosten. Sobald der aufkommende
Wind für den Anlauf ausreicht, kommt die Asynchronmaschine selbsttätig auf Spannung.
Wenn die Generatorspannung größer wird als die Sammlerspannung, wird der Sammler
geladen. Reicht die verfügbare Windleistung zum Antrieb der Motoren 5 aus, so können
diese zugeschaltet werden. Der Betrieb des Windmotors 2 -erfolgt hierbei mit nur
in geringen Grenzen veränderlicher Drehzahl. Bei zu hoher Windgeschwindigkeit und
Leistung werden die Flügel aus dein Wind herausgedreht oder sonstwie für eine Verminderung
der zugeführten Leistung gesorgt. Um eine bessere Ausnutzung der Windenergie zu
erzielen, kann man auch den Generator mit veränderlicher Drehzahl betreiben. Dies
kann z. B. durch Polumschaltung der Ständerwicklung erzielt werden, was hier besonders
einfach ist, weil der Läufer mit seiner Käfigwicklung nicht umgeschaltet zu werden
braucht. Man kann auch die Läuferwicklung als -Schleifringwicklung ausführen und
mit Widerstand belasten. Dann findet mit zunehmender Last selbsttätig eine Drehzahlzunahme
statt, welche der Drehzahlkennlinie des Windmotors entgegenkommt. Ein Parallelarbeiten
mehrerer Generatoren ist ohne weiteres möglich. Die Generatoren können nach Erreichen
ihrer Solldrehzahl oder auch schon vorher ohne Synchronisieren auf das Netz geschaltet
werden. Die Sammlerbatterie bestimmt für alle Generatoren die Höhe der Spannung.
Ein
weiteres vorteilhaftes Anwendungsgebiet des Erfindungsgedankens ist in Fig. 5 dargestellt.
Man kann nämlich mit Vorteil in der dargestellten Weise auch Generatoren für Mittelfrequenz
betreiben, wie diese zur Speisung von Induktionsöfen benutzt werden. Wegen der hohen
Frequenz stellen solche Ofen vorwiegend nur eine Drosselspule dar, und ihr induktiver
Blindstrom muß durch Kondensatoren kompensiert werden. Außerdem ist die Induktivität
der Ofenspule nicht konstant, sondern wird mit dem Weiterschreiten des Schmelzprozesses
kleiner, so daß die Kondensatoren diesem Wert angepaßt werden müssen. Als Stromquelle
zur Speisung dieser Ofen dienten bisher besondere Mittelfrequenzgeneratoren mit
Gleichstromerregung. Verwendet man nun als Generator eine Asynchronmaschine mit
Kondensatorenerregung und. regelt ihre Spannung bzw. ihren Strom durch die Drehzahl
des Antriebsmotors, so wird die Gleichstromerregung entbehrlich, und man erhält
wesentlich einfachere Maschinen. Statt der Gleichstromerregerwicklung erhält der
Läufer nur eine Käfigwicklung.
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In Fig. 5 stellt i den Asynchrongenerator mit dem Antriebsmotor 2,
dem Kondensator 3 und dem Induktionsofen 15 dar. Der Parallelkondensator
3 ist hierbei so groß gewählt, daß er sowohl die Blindleistung des Generators als
auch die der Ofenspule liefert. Der Antriebsmotor muß in seiner Drehzahl in gewissen
Grenzen regelbar sein. Die Drehzahländerung erfolgt in Abhängigkeit von der Spannung
bzw. vom Strom, je nachdem, ob man für den Ofenbetrieb eine vorgeschriebene Spannung
einhalten oder einen vorgeschriebenen Strom in Abhängigkeit von der Belastung einstellen
will. Die Anordnung hat nun den besonderen Vorteil, daß bei Kurzschlüssen an der
Ofenspule, wie dies betriebsmäßig häufig vorkommt, keine Gefährdung des Generators
eintritt. Bei den bisher üblichen Schaltungen werden häufig Ofenspule und Abstimmkondensator
in Reihenresonanzschaltung betrieben. Bei einem Kurzschluß im Ofen ist der Generator
dann nur durch den großen Kondensator belastet. Dadurch wird seine Spannung unzulässig
hochgetrieben, so daß es zu Wicklungsdurchschlägen kommt. Bei der Parallelschaltung
von Ofenspule und Kondensator nach Fig. 5 bricht bei Ofenkurzschlüssen die Spannung
des Generators zusammen, so daß keine überspannung auftreten kann, und#da es sich
um einen Asynchrongenerator handelt, auch keine Überströme. Kann der Generator nicht
für die Ofenspannung ausgeführt werden, so kann man eine Sparschaltung nach Fig.
6 anwenden. Der Generator mit seinem Parallelkern ist hier nicht an die .ganze Ofenspule
angeschlossen, sondern nur an einem Teil; so daß die Ofenspule als Sparumspanner
dient. Für den Ofenkreis ist ein besonderer Kondensator 16 vorgesehen.
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Mit den erfindungsgemäßen Anordnungen ist eine Vereinfachung im Betrieb
von Wechselstromgeneratoren sowohl für den selbsttätigen Alleinbetrieb, wie in Parallelbetrieb
möglich. Man benötigt lediglich kurzschlußläufer und Kondensatoren, und die bisher
üblichen Gleichstromerregermaschinen mit ihren Schnellreglern und Erregerquellen
kommen in Fortfall. Die Anordnungen nach der Erfindung eignen sich daher insbesondere
für Schiffe, Fahrzeuge und Flugzeuge. .Sie kommen ferner für einsame und klimatisch
ungünstige Orte in Frage. Gerade für das Gebiet der kleinen Leistungen steht eine
große Zahl normaler, listenmäßiger Drehstrommotoren für die verschiedenen Leistungen,
Drehzahlen, Spannungen und Ausführungsformen zur Verfügung, desgleichen auch die
zugehörigen Kondensatoren, so daß mit einem geringen Planungsaufwand in kurzer Zeit
betriebsfertige und betriebssichere Anlagen errichtet werden können.