Wechselstromerzeugungsanlage für konstante Ausgangsfrequenz bei wechselnder Antriebsdrehzahl. Bei Wechsel- und Drehstromerzeugungs anlagen, die von Kraftmaschinen angetrieben werden, die ausser für die Stromerzeugung auch noch für andere Verbraucher Energie liefern, kommt es insbesondere in den Fäl len, in denen die Stromerzeugung nur einen geringen Anteil an der Gesamtkrafterzeu gung ausmacht, häufig vor, dass die Dreh zahl der Antriebsmaschine auf Grund von Forderungen des hauptsächlichen Energie verbrauchers mehr oder 'minder grossen Schwankungen unterworfen ist. Bei Verwen dung der üblichen Generatoren müssen in diesem Fall Mittel und Wege gesucht wer den, die Frequenzänderungen in irgendeiner Form auszugleichen.
Für die meisten Fälle kann man dabei als Regel annehmen, dass der normale Betrieb mit der Höchstdrehzahl er folgt, und dass nur für kürzere Zeiten der Generator mit verminderter Drehzahl läuft. Dabei ist diese Drehzahlschwankung des An- triebsmotors, die im folgenden als "Drehzahl- hub" bezeichnet werden soll, von Fall zu Fall sehr verschieden und kann zum Beispiel bei Flugzeugmotoren<B>50%</B> und mehr betra gen (Drehzahlhub<B>100%</B> auf 50%). Solange hierbei als Stromsystem Gleichstrom Ver wendung fand, konnten diese Drehzahl schwankungen durch Feldregelung ausgegli chen werden.
Bei Wechsel- und Drehstrom anlagen an Bord von Flugzeugen ist dieser Weg wegen der dem Drehzahlhub propor tionalen Frequenzänderungen nicht mehr möglich.
Es ist nun schon vorgeschlagen worden, in solchen Fällen hinter den eigentlichen Generator eine Zusatzmaschine zu schalten, in der eine Frequenzerhöhung hervorgerufen wird. Bei kleinen Frequenzschwankungen des Generators ist dieses Verfahren auch ohne Schwierigkeiten möglich, da in diesem Fall die der Frequenzerhöhungsmaschine mecha- nisch zuzuführende Leistung dann gering ist, wenn der Drehzahlhub sieh in erträglichen Grenzen hält. Beträgt er jedoch wie bei Flugzeugen 50% oder mehr, so erfordert die dem Generator nachgeschaltete Maschine zur Frequenzerhöhung eine Antriebsleistung von gleichfalls<B>50%</B> der geforderten elektrischen Leistung.
Die Maschinen und ihr Antrieb:;- motor werden schwer und sind im normalen Betrieb, das heisst bei voller Drehzahl des Antriebsmotors, überhaupt nicht ausgenutzt. Es ist weiter bereits vorgeschlagen worden. dieses Verfahren elektrisch und vor allein hinsichtlich des Wirkungsgrades dadurch zu vereinfachen, dass die Frequenzerhöhung- nicht in einem nachgeschalteten Drehwandler vorgenommen, sondern dadurch erreicht wird. dass der Ständer des Stromerzeugers beim Betrieb mit niederen Drehzahlen im Gegen sinn zum Anker angetrieben wird.
Diese Lö sung ist wirkungsgradmässig besonders gün- stig, erfordert jedoch einen gewissen kon struktiven Aufwand. da die erzeugte elek trische Energie über Schleifringe vorn dein umlaufenden Ständer des Generators abge nommen und die Zufuhr der Antriebsleistung für denselben über Getriebe usw. vorgesehen werden muss. Für die dem Generatorständer zuzuführenden Leistungen und Drehzahlen gelten dieselben Gesetze wie für eine nach geschaltete Maschine zur Frequenzerhöhung. Für beide Maschinengattungen lassen sich die Beziehungen zwischen Drehzahl, Pol paarzahl und Frequenz einerseits, Leistung. Polpaarzahl und Drehzahl anderseits leicht ableiten.
Die vorliegende Erfindung vermeidet die Nachteile der oben beschriebenen Verfahren, indem die Verwendung eines polumschalt- baren Generators mit weiteren frequenz ändernden Mitteln, z. B. denn Antriebe des Generatorständers, einem Drehwandler oder einem Umrichter kombiniert wird. Bei dem Antrieb des Generatorständers oder bei Nach schaltung eines Drehwandlers wird man ans technischen und wirtschaftlichen Gründen ein Kleinstmass der dem Generatorständer oder dem Drehwandler zuzuführenden Lei- stung anzustreben suchen.
Bei Verwendung eines Umrichters bietet die Polumschaltung ; des Generators den Vorteil, gewisse im Ge samtgebiet des Drehzahlhubes der Antriebs maschine mögliche Frequenzen und die dann am Umrichter erforderlichen Übersetzungs verhältnisse zu vermeiden, da, wie bekannt, j bei allen Umrichtern bei gewissen Frequenz- übersetzungsverhältnissen, vor allem bei ge radzahligen, stromrichtertechnische und steue rungstechnische Schwierigkeiten auftreten können.
Ausserdem bietet der Umrichter den Vorteil, dass die Generatorfrequenz unabhän gig von der des zu versorgenden Netzes so gewählt werden kann, dass sich in Auslegung und Bau günstigste Verhältnisse für die 111a- schine ergeben. Dieser Vorteil rührt daher, dass beim Umrichter kein zweiter Energie weg wie bei den andern frequenzändernden Einrichtungen vorgesehen werden muss.
In Fig. 1 der Zeichnung ist als Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung die prinzipielle Anordnung eines Maschinensatzes dargestellt, wobei zur Frequenzerhöhung bezw. -erniedri- gung der Ständer des polumschaltbaren Ge- nerators angetrieben wird. Der Antriebs motor .1I treibt mit veränderlicher Drehzahl den Läufer L eines polumschaltbaren Dreh strornäenerators G an, dessen Ständer S über ein Regelgetriebe R gleichfalls vom Haupt motor aus mit beliebiger Drehzahl und Dreh richtung angetrieben werden kann.
Dieses Getriebe kann ein mechanisches oder hydrau lisches. aber auch ein elektrisches Getriebe, z. B. ein Leonardsatz sein. Dieses Getriebe ermöglicht < s, auf den Ständer des Generators jedes beliebige Drehmoment; bei jeder belie bigen Drehzahl Lund Drehrichtung auszuüben.
Vorteilhafterweise wird man die Anlage so ausbilden, dass der Generator G über den ma.nzern praktisch auftretenden Drehzahlhub der Hauptantriebsmaschine in der Lage ist, die volle oder eine gewisse Teilleistung des Generators an elektrischer Energie abzuge ben und dabei Frequenz und Spannung kon stant zu halten.
Gelingt es, durch schaltungs technische Massnahmen im Erregerkreis bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung für die einzelnen benutzten Polzahlen des Gene- rators entsprechende Werte des Erregerstro mes einzustellen, dann ist die Forderung kon stanter Ausgangsspannung erfüllt, sofern konstante Ausgangsfrequenz vom Maschinen satz durch Wahl der erforderlichen Drehzah len für Ständer und Läufer geliefert wird. Je nach den Betriebsverhältnissen wird man nun eine oder zwei häufig benutzte Drehzah len des Antriebsmotors festlegen, bei denen die Anlage möglichst ohne Energiezufuhr oder -abfuhr vom Ständer des Drehstrom- generators betrieben werden kann.
Man wird ferner, je nach der Bauart und der Wir kungsgradkurve des Regelgetriebes, dasselbe so ausführen, dass man mit ihm einen grossen Drehzahlbereich überstreicht und dann nur zwei Polpaarzahlen im Generator benötigt, oder man wird dem Generator eine grössere Anzahl von Polpaarzahlen zugestehen, um dafür ein einfaches Getriebe mit besserem Wirkungsgrad zu bekommen. Schliesslich ist es noch möglich, je nach der Ausführung des Getriebes eine oder beide Energierichtungen in demselben, also mechanische Energie zufuhr und -abfuhr vom Ständer des Dreh- stromgenerators vorzusehen.
Zur Erläuterung der Betriebsverhältnisse für alle im Betrieb des Drehzahlhubes lie gende Antriebsdrehzahlen ist dabei in dem schematischen Diagramm Fig. 2 unter Zu grundelegung zweier Polpaarzahlen am Ge nerator in Abhängigkeit einer beliebigen Grösse, beispielsweise der Zeit t, die Drehzahl der Antriebsmaschine nm aufgetragen, und zwar ist angenommen, dass der Drehzahlhub zeitlinear im Laufe der Zeit T durchlaufen wird. Auf der linken Seite des Diagramms hat also der Antriebsmotor seine volle Dreh zahl, auf der rechten Seite als Beispiel nur noch 50 % davon (stark ausgezogene Kurve nm).
Die Drehzahlen, die dem Ständer des Ge- nerators über das Getriebe unter den ver schiedenen, oben genannten Voraussetzungen zugeführt werden müssen, sind in den wei teren Kurven 1 bis 4 dargestellt. Die Kurve 1 geht davon aus, dass der Generator nicht pol- umschaltbar ist. Genau in dem Masse, wie die Drehzahl des Antriebsmotors auf die Hälfte absinkt, muss der Ständer mit immer grösser werdender Geschwindigkeit und schliesslich gleichfalls mit der halben Höchstdrehzahl des Motors angetrieben werden. Dabei ist für den Ständer der gleiche Drehsinn wie für den Läufer positiv gerechnet, so dass die Dreh zahlgerade des Ständers parallel zu der des Motors verläuft.
Der Abstand beider Gera den voneinander ist die relative Drehzahl zwischen Motor und Ständer und damit ein Mass für die Frequenz.
In der Kurve 2 ist der Drehzahlverlauf dargestellt, den der Ständer des Drehstrom- generators dann ausführen muss, wenn er im Verhältnis 1<B>:92</B> polumschaltbar ist, und wenn das Getriebe jede beliebige Drehzahl- und Leistungsübertragung zwischen Ständer und Hauptmotor erlaubt. Nach Absinken der Mo tordrehzahl auf<B>75%</B> ihres Höchstwertes wird eine Polumschaltung vorgenommen und gleichzeitig die Drehrichtung des Ständers umgekehrt. In der rechten Hälfte des Dia gramms sinkt dann die Ständerdrehzahl ana log zur Motordrehzahl.
Es ergibt sich für die zweite Polpaarzahl eine zweite Drehzahl kennlinie, deren Abstand von der Motordreh zahlkennlinie nM durch das Polpaarverhält nis bei der Umschaltung gegenüber dem er sten Fall gekennzeichnet ist.
Die Kurven 3 und 4 kennzeichnen schliess lich das Betriebsverhalten der Anlage unter der Voraussetzung, dass (bei Kurve 3) das Getriebe nur Energiezufuhr zum Ständer des Generators oder (Kurve 4) nur Energie abfuhr vom Ständer des Generators erlaubt. In diesen Fällen muss die Polumschaltung an einen der beiden Endpunkte des Drehzahl hubes verlegt werden. Regelgetriebe mit nur einer Leistungsübertragungsrichtung sind bei spielsweise Schneckengetriebe in selbsthin dernder oder beinahe selbsthindernder Form: ferner hydraulische Getriebe, insbesondere der Verdrängungspumpenbauart, mit nicht zwangläufig gesteuerten Ventilen und elek trische Getriebe, insbesondere kleinerer Ty penleistung.
Bei diesen letztgenannten Ge- trieben (Leonardsatz) machen sich nämlich die Spannungsabfälle in der Richtung be merkbar, dass eine Leistungsübertragung im umgekehrten Sinne nicht oder nur mit schlechtem Wirkungsgrad möglich ist. Bei solchen Anordnungen mit Regelgetrieben mit nur einer Leistungsübertragungsrichtung kön nen die Umschaltpunkte für die verschie denen Generatorpolzahlen so gelegt werden, dass vor oder nach der Umschaltung der Ge neratorständer oder der Drehtransformator stillsteht oder nur sehr langsam, das heisst mit höchstens 10ö seiner grössten Drehzahl, umläuft,
oder dass sieh bei jeder dieser Um schaltungen die Drehrichtung des Drehtrans formators umkehrt und die Beträge der Dreh zahl vor und nach der Umschaltung gleich gross sind.
Bei den genannten Beispielen war als Vor aussetzung angenommen, dass mit Rücksicht auf den Wirkungsgrad des Getriebes bei den beiden Endwerten der Antriebsdrehzahl ein Betrieb mit stillstehendem Generatorständer möglich sein muss. In vielen Fällen wird man auf diese Einschränkung bei der kleinsten Drehzahl verzichten können, einmal, weil die ser Betrieb normalerweise nicht: allzulange dauert, und das andere Mal, weil bei gedros seltem Antriebsmotor sowieso für die elek trische Anlage genug Antriebsleistung zur Verfügung steht.
In dem Diagramm Fig. 3 ist in Kurve 1 dargestellt, wie sich für die sen Fall bei einer Polumschaltung 1<B>:2)</B> und einem Drehzahlhub l00/50 noch günstigere Verhältnisse dann ergeben, wenn man bei ge ringster Drehzahl der Antriebsmaschine einen Betrieb mit umlaufendem Generatorständer vorsieht. Lässt man bei höchster und niedrig ster Drehzahl des Antriebsmotors den Stän der umlaufen, dann liegt nach Kurve 2 (Fig. 3) der Umschaltpunkt wiederum in der Mitte des Drehzahlhubes, n=ährend der Dreh zahlbereich des Generatorständers und damit des Getriebes weiter verkleinert ist. Zum Vergleich ist auch die Kurve 2 des Dia gramms der Fig. 2 mit der Bezeichnung 3 hier nochmals eingetragen.
Für die Benutzung von Generatoren, die sieh auf mehr als zwei Polpaarzahlen um schalten lassen, lassen sich die entsprechen-., den Verhältnisse ohne weiteres analog ablei ten. Sie sind für einen Generator mit drei Polpaarzahlen und einem Drehzahlhub von 100/25 in dem Diagramm der Fig. 4 darge stellt, wobei wiederum die Kurve 1 von den- ; selben Voraussetzungen ausgeht wie die Kurve 2 des Diagramms der Fig. 2, \nährend die Kurve 2 von Fig. 4 die Forderung einer möglichst kleinen Antriebsdrehzahl für den Ständer des Generators voranstellt und ge stattet, dass in den beiden Endlagen, nämlich bei höchster und niedrigster Drehzahl, mit umlaufendem Generatorständer gefahren wird (entsprechend Kurve 2 in Fig. 3).
Die Beziehungen zwischen Drehzahlhub, Polpaarzahl, Ständerdrehzahl und Getriebe leistung sind nachstehend unter Berücksich tigung folgender Einschränkungen aufge stellt.
Es sollen hier nur solche Anordnungen betrachtet werden, bei denen die Grenzbedin- gungen, nämlich Energierichtung und Stän derdrehzahl, eindeutig eine Optimallösung erlauben.
Die bei mehreren Polumschaltungen (P > 1) vorkommenden Drehzahlsprünge sol len alle gleich gross sein. Bei beliebiger Ener gierichtung über das Getriebe sollen die Dreh zahlsprünge des Ständers bei den Polum schaltungen symmetrisch zur Nullinie liegen.
Es stehen solche Polpaarzahlen zur Ver fügung, dass die Umschaltmomente auf der Zeitachse äquidistant verteilt werden können.
Zur Bestimmung der Anzahl der soge nannten Arbeitsbereiche sind von den zwölf durch Kombination der vier Drehzahlfest legungen mit den drei Energierichtungsmög lichkeiten entstehenden Betriebsarten die acht den obengenannten Einschränkungen entspre chenden Fälle in der Tafel der Fig. 5 sche matisch hinsichtlich des Drehzahlverlaufes des Ständers unter Zugrundelegung dreier Pol- umsehaltungen am Generator (P = 3) auf gezeichnet und in jedem Fall die Formel für die Zahl der Arbeitsbereiche A in Abhängig keit der Zahl der Polpaarverhältnisse P auf- gestellt.
Hierbei bedeuten nS die Drehzahlen des Ständers am obern bezw. am untern Ende des Drehzahlhubes, das heisst bei der höch sten bezw. niedrigsten Motordrehzahl nMmax bezw. nm,";". Als Arbeitsbereich ist jedesmal das Gebiet bezeichnet, in dem bei einer be nutzten Polpaarzahl der Ständer des Gene- rators den Drehzahlbereich zwischen Still stand und einem Maximalwert durchläuft, z. B. zwischen den Punkten t, und t2, t, und t3, t3 und t,, in Fig. 4. Die Grösse des Dreh zahlhubes des Antriebsmotors ist bei den Be trachtungen gleichgültig und daher nicht an gegeben.
Sie bestimmt nur zum Schluss den absoluten Wert der maximalen Ständerzah len, nicht aber die Verhältniswerte dieser Grössen zueinander für die verschiedenen Lö sungsmöglichkeiten.
Zur Festlegung der maximalen Ständer , drehzahl nSmax lassen sich die Beziehungen ohne weiteres aus Fig. 2 direkt ablesen. Die maximale Ständerdrehzahl beträgt:
EMI0005.0004
Hierbei bedeutet:
nSmax = höchste Ständerdrehzahl, nMmax - höchste Motordrehzahl, nMmin = niedrigste Motordrehzahl,
A. = Zahl der Arbeitsbereiche.
Es ist ersichtlich, dass die maximale Stän derdrehzahl direkt vom Drehzahlhub des Antriebsmotors abhängig und umgekehrt proportional der Zahl der verwendbaren Ar beitsbereiche ist. Wie hoch sie im Einzel fall gewählt werden kann, richtet sich nach dem konstruktiv zulässigen Aufwand für Ge nerator und Regelgetriebe, indem sie von der Zahl der Polumschaltungen, der Energierich tung im Getriebe und der Möglichkeit des Betriebes mit umlaufendem Ständer in den beiden Enddrehzahlen abhängt. Man sieht jedoch aus den Darstellungen der Fig. 5, dass eine übertriebene Vermehrung der Arbeits bereiche nicht mehr so viel Einsparungen bringt, wie anderseits konstruktiver und re geltechnischer Mehraufwand entsteht.
Die bisherigen Betrachtungen gingen da von aus, dass die für eine äquidistante An- ordnung der Umschaltstellen auf der Zeit achse erforderlichen Polpaarzahlen am Gene rator ohne weiteres gewählt werden können. In Fig. 6 ist ein Teil des Drehzahldiagramms unter Annahme von fünf Polumschaltungen - sechs Polpaarzahlen nochmals in veränder ter Form gezeichnet. Als oberste Linie ist die Motordrehzahl nm angegeben, für die ein Hub von 1001'331/3 angenommen wurde. Die Drehzahlkennlinien für die verschiedenen Polzahlen des Generators sind mit np1 bis np6 bezeichnet und nur im Bereich positiver Stän derdrehzahlen angegeben. Sie laufen, wie schon früher erwähnt, der Drehzahlkurve des Motors parallel.
Ihr Abstand von der Motor geraden ergibt, multipliziert mit der zugehö rigen Polpaarzahl und einer Konstanten, die Ausgangsfrequenz. Dann müssen sich aber anderseits die Abstände dieser Geraden un tereinander k . a und gegenüber der Motor kennlinie k1 . a ganzzahlig zueinander ver halten, da nur ganzzahlige Polpaazahlen vor kommen können. Infolgedessen lassen sich ,die Abstände der Drehzahlkennlinien unterein ander und gegen die Motordrehzahlgerade am einfachsten als ganzzahlige Vielfache k und k, einer Konstanten a ausdrücken, wobei k, 1g,, ganze Zahlen sind.
Dies ist in Fig. 6 durch die Abstandsangaben der Drehzahlkennlinien für den Fall geschehen, dass mit stillstehen dem Ständer bei Maximal- und Minimaldreh zahl des Motors gearbeitet wird, also die Drehzahlkennlinie für den Generatorständer bei höchster und niedrigster Drehzahl des Motors im Nullpunkt beginnt. In Fig. 7 sind mit andern Massstäben unter Annahme von vier Polpaarzahlen die Verhältnisse für den Fall des Ständerantriebes bei höchster Motor drehzahl angegeben. Analog zeigt Fig. 8 den Betriebsfall mit angetriebenem Ständer bei niedrigster Motordrehzahl.
Aus den oben ge nannten Voraussetzungen ergibt sich, dass damit der Abstand der untersten bezw. ober sten Ständerdrehzahlkennlinie vom Null punkt betragen muss, wenn der Abstand für die
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weiteren Polumschaltungen jeweils <I>k .</I> a beträgt. Für die Betriebsfälle mit nur einer Energieflussrichtung im Getriebe lässt sich aus Fig. 5 leicht erkennen, dass sie alle auf das Schema der Fig. 6 zurückgehen.
Für alle drei Möglichkeiten lassen sieb die Polpaarzahlbedingungen in den Formeln zusammenfassen.
Es gelten: Für ruhenden Generatorstän der (Fig. 6):
(1) (P-1) . k . a. -;- 7-1 . a - nMmax
Für Ständerantrieb bei höchster und kleinster Motordrehzahl ! Fig. 7 , 8)
EMI0006.0000
Hierbei sind P, 1,;, 1;-1 ganzzahlig und (3) 1"i . a. - nMmin
Jetzt kann das höchste Drehmoment fest gelegt werden, das auf den Ständer ausgeübt, also vom Getriebe abgegeben werden muss. Unter Voraussetzung konstanter Ausgangs
leistung und gleichen Wirkungsgrades für
den Generator bei allen Polpaarzahlen errech net sich das Drehmoment .1I" bei einer Pol paarzahl p" aus dein Drehmoment :M1 bei. der niedrigsten Polpaarzahl p1 (Motordrehzahl
nM1 bei stehendem Ständer) nach der folgen den Formel:
EMI0006.0002
Zur Bestimmung des Maximalmomentes geht man einfacher von der Konstanz dei-
Leistungen bei höchster und niedrigster Mo tordrehzahl aus. Für den in Fig. 6 dargestell ten Fall, also bei ruhendem Generatorständer. ergibt sieh:
EMI0006.0006
Da gemäss Formel (1) der Seite 6: nMmax = (P - l) k . a + 1-l . a
Lind gemäss Formel<B>(</B>3) .der Seite 6: nMmin = k1 . a,
ist:
EMI0006.0009
Bei Antrieb des Ständers muss seine Dreh zahl bei höchster und niedrigster Motordreh zahl berücksichtigt werden; es gilt gemäss Fig. 7 für Ständerantrieb mit der Dreh zahl +
EMI0006.0012
bei der höchsten Motordrehzahl:
EMI0006.0013
Da gemäss Formel (2) der Seite 6:
EMI0006.0014
und gemäss Formel (3) der Seite 6: nMmin = k, . a, ist:
EMI0006.0016
Für Ständerantrieb mit der Drehzahl -
EMI0006.0017
(gemäss Fig. 8) bei der niedrigsten Motordrehzahl ist:
EMI0006.0018
Setzt nian wieder für @bm"lax und 71H,"qp die
Werte der Formeln (\?) und (3) der Seite 6 ein, so erhält man
EMI0006.0027
also:
EMI0007.0000
Zur Bestimmung der relativen Leistung des Regelgetriebes wird die Getriebeleistung NG auf die für den Generatorantrieb erfor derliche Leistung Ne1 bezogen. Dabei ist
NG - C # Mmax ' nSmax Hierbei bedeutet:
NG = Getriebeleistung,
Mmax = maximales Getriebemoment (Stän dermoment des Generators),
nSmax = maximale Ständerdrehzahl und
Nel = C . Mmin # nMmax,
Nel = Generatorleistung bei allen Motor drehzahlen,
Mmin = kleinstes Getriebemoment,
nMmax - maximale Antriebsdrehzahl des Ge neratorläufers. Für alle Fälle, bei denen bei höchster und
niedrigster Antriebsdrehzahl der Generator ständer stillsteht, gilt dann:
EMI0007.0005
Damit ist die relative Getriebeleistung G
EMI0007.0006
Für den Arbeitsbereich A gelten dabei die in Fig. 5 gemachten Angaben, wobei aus drücklich die drei rechten Spalten, der Ta belle ausgenommen sind. Für diese Fälle lässt sich die Berechnung am einfachsten ausfüh ren, wenn man eine oder beide Diagramm grenzen auf den Punkt nS - 0 verlegt und für die dort geltenden Drehzahlen die Rech nung ausführt.