DE1538649C3 - Generatoranlage für Wechselstrom konstanter Frequenz bei wechselnder Antriebsdrehzahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Generatoranlage für Wechselstrom konstanter Frequenz bei wechselnder Antriebsdrehzahl, die einen ein Wechselstromnetz direkt speisenden Synchrongenerator und ein von einer Antriebswelle angetriebenes Differentialgetriebe enthält, dessen Ausgangswelle den Synchrongenerator mit Hilfe einer Drehzahlregelung mit konstanter Drehzahl antreibt, unter Anwendung einer an die Differenzwelle des Differentialgetriebes angekuppelten, zusätzlichen Wechselstrommaschine, die im Normalbetrieb als Generator arbeitet und das Wechselstromnetz über einen steuerbaren Umrichter speist.

Es ist bekannt, an die Differenzwelle eine zusätzliche Wechselstrommaschine anzukuppeln, die als Generator arbeitet und die das Wechselstromnetz über einen Umrichter speist, wobei eine Regelung der Ausgangsdrehzahl des Differentialgetriebes über die von der zusätzlichen Wechselstrommaschine abgegebene Leistung und die sich daraus ergebende Drehzahl der Differenzwelle erfolgt (französische Patentschrift 1 334 683).

Diese Regelung ist nur für einen bestimmten Drehzahlbereich der Antriebswelle vorgesehen, beispielsweise für Drehzahlen von mindestens 8O°/o der Nenndrehzahl der Ausgangswelle. Sie versagt, wenn die Drehzahl der Antriebswelle unter einen bestimmten Wert abfällt, so daß darin die Drehzahl des das Netz

ίο speisenden Generators und die Netzfrequenz absinken. Für diesen Fall sind zwar an Bord eines Fahrzeuges weitere, von dem zum Antrieb dienenden Motor unabhängige Stromerzeuger vorgesehen, auf die im Falle eines voraussehbaren Drehzahlabfalls der Antriebswelle (Langsamfahrt, Anhalten, Umsteuern) rechtzeitig umgeschaltet wird, so daß dann zumindest wichtige Stromverbraucher weiter mit konstanter Frequenz und konstanter Spannung versorgt werden können, jedoch ist das rechtzeitige Umschalten auf an-

ao dere Stromerzeuger bei der bekannten Generatoranlage bei plötzlichen, unvorhergesehenen Drehzahleinbrüchen der Antriebswelle nicht möglich. Selbst bei' automatischem Umschalten vergeht zwischen dem Umschaltbefehl und dem Erreichen der Sollfrequenz und Sollspannung eine bestimmte, durch die mech^£ nischen und elektrischen Zeitkonstanten der neu einzuschaltenden Maschinen und Schaltgeräte bedingte Zeit. Während dieser Zeit verringern sich Frequenz und Spannung des Bordnetzes, was bei der Wichtigkeit der von ihnen versorgten Beleuchtungs-, Ortungs-, Signal- und Steuergeräte schwerwiegende Folgen haben kann.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist darin zu sehen, eine Generatoranlage zu schaffen, mit der auch in Störungsfällen die Frequenz des Bordnetzes so lange aufrechterhalten wird, bis andere Stromerzeuger für die Versorgung des Bordnetzes betriebsbereit sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei plötzlichem, unvorhergesehenem Abfall der Drehzahl der Antriebswelle unter einen Mindestwert die als Synchrongenerator arbeitende zusätzliche Wechselstrommaschine mittels eines Umschalters vom Umrichter trennbar und direkt an das Wechselstromnetz anschließbar ist, wobei dann die zusätzliche Wechselstrommaschine aus dem Synchrongenerator über das Netz als Motor gespeist ist.

In der Zwischenzeit sind dann andere Stromerzeuger betriebsbereit.

Aus der US-PS 2 911 541 ist eine Wellengeneratoranlage bekannt, bei der der als Wellengenerator arbeitende Schwungradgenerator von der Propellerwelle über ein Differentialgetriebe und eine elektromagnetische Kupplung angetrieben wird. Ein regelbarer Elektromotor arbeitet auf das Planetenrad des Getriebes und hält die Drehzahl der den Wellengenerator antreibenden Welle weitgehend konstant. Bei Erreichen einer vorbestimmten Drehzahl wird über einen Schalter die Einschaltung eines Notstromaggregates sowie die Abschaltung des Wellengenerators bewirkt. Bei dieser Anlage wird ein aufwendiger Schwungradgenerator verwendet.

Mit der Anlage nach der Erfindung ist der Vorteil verbunden, daß im Störungsfalle ohne Zeitverzögerung die Umschaltung des zusätzlichen Generators auf Motorbetrieb zur Stützung des Wechselstromnetzes erfolgt. Eine Gefährdung der wichtigen Verbraucher tritt nicht ein. Darüber hinaus wird die Re-

gelfähigkeit der Anlage verbessert und die Anwendbarkeit auf größere Drehzahlschwankungen der Antriebswelle ermöglicht.

Die Drehzahl n₃ der den Synchrongenerator antreibenden Ausgangswelle des Differentialgetriebes ergibt sich bekanntlich, wenn man vereinfachend die Übersetzungsverhältnisse der Drehzahlen: des Differentialgetriebes als 1:1 annimmt, als Jfifferenz der DrehzahlVi₁ der Antriebswelle und der Drehzahl /I₂ der Differenzwelle:

/J₁ /I₂ = /I₃

Da die Drehzahl /I₃ konstant bleiben soll, muß in der Formel bei einer Verringerung des Summanden /I₁ der Summand —/I₂ vergrößert werden, d. h. die Drehzahl /I₂ wird zu Null bei einem bestimmten Mindestwert /i_im/n der Drehzahl der Antriebswelle. Um auch unterhalb des Mindestwertes M_{1 min} die Konstanz der Drehzahl /i₃ zu erhalten, muß die Drehzahl «., ihr Vorzeichen wechseln, was durch das erfindungsgemäße Umschalten der zusätzlichen Wechselstrommaschine von Generator- auf Motorbetrieb entgegengesetzte Drehrichtung bei der Umschaltdrehzahl /i_ls, die etwa dem Mindestwert n_lmin gleich ist, erreicht wird. Das Umschalten kann beispielsweise ausgelöst werden von einem auf der Antriebswelle angebrachten Tachometer, wie es meist zu anderen Zwecken schon vorhanden ist.

Die zusätzliche Wechselstrommaschine läuft als Motor im Asynchronbetrieb vom Stillstand aus an. In seinem Hochlaufen wirkt der Motor dem gleichzeitigen Abfall der Drehzahl /I₁ der Antriebswelle im Sinne eines Ausgleichs und damit im Sinne des Konstanthaltens der Drehzahl n₃ des Synchrongenerators entgegen.

Sollte sich der Abfall der Drehzahl n_x unterhalb des Mindestwertes /I_{1 mia} für einige Zeit verlangsamen, so kann sich durch das Hochlaufen des Motors bis zu seiner Nenndrehzahl die Drehzahl n₃ und damit die Netzfrequenz erhöhen. Um die prozentuale Frequenzerhöhung gegenüber der Nennfrequenz klein zu halten, soll zunächst beim Abfall der Drehzahl /I₁ unter den Wert /I_{1 min} ein Abfall der Frequenz hingenommen werden. Die zusätzliche Wechselstrommaschine wird erst bei einer Umschaltdrehzahl/I_{1 s} unterhalb der Drehzahl /I_{1 min} auf Motorbetrieb umgeschaltet: /I_{1 s}<n_lmfn.

Wenn die zusätzliche Wechselstrommaschine als Motor ihre Nenndrehzahl erreicht hat, kann mit ihr eine Erhöhung der Drehzahl /i₃ nicht weiter bewirkt werden. Die Netzfrequenz sinkt dann bei weiterem Abfall der Drehzahl /I₁. Bei sachgemäßer Wahl der Übersetzungsverhältnisse des Differentialgetriebes ist es jedoch möglich, den prozentualen Frequenzabfall (in der Zeit, bis andere Stromerzeuger betriebsbereit sind) bis zu kleinen Weiten von /I₁ innerhalb zulässiger Grenzen zu halten.

Wegen der Trägheitsmomente der rotierenden Teile der Anlage ist ein plötzlicher Abfall der Drehzahl It₁ der Antriebswelle auf Null erfahrungsgemäß ausgeschlossen. Sollte dieser Extremfall jedoch einmal auftreten, so wird auch dann die Netzfrequenz von der erfindungsgemäßen Anlage für kurze Zeit auf zulässigen Werten gehalten, nämlich so lange, bis die in der Anlage, insbesondere im Synchrongenerator, gespeicherte Rotationsenergie bis auf einen Mindestwert entnommen oder vernichtet ist.

Der Umrichter, über den die zusätzliche Wechselstrommaschine im Normalbetrieb das Wechselstromnetz speist, hat die Aufgabe, den von dieser Maschine erzeugten Strom variabler Frequenz in einen Strom mit Netzfrequenz umzuwandeln. Er kann vorteilhaft aus einem Gleichrichter und einem nachgeschalteten, vom Netz geführten Wechselrichter bestehen. Diese Ausführung hat den Vorteil konstruktiver Einfachheit.

Eine andere günstige Ausführung des Umrichters

ίο besteht darin, daß er aus einem Gleichrichter und einem nachgeschalteten, netzgeführten, selbst kommutierenden Wechselrichter, wie er als Pulswechselrichter bekannt ist, besteht. Der Pulswechselrichter hat gegenüber dem vom Netz kommutierten Wechselrichter den Vorteil, daß er das Netz nicht mit Blindstrom belastet.

Die drei Größen Drehzahl /I₂, Erregung und Wirkstrom der zusätzlichen Wechselstrommaschine bedingen sich wechselseitig. Zur Steuerung der Drehzahl n₉ ist es deshalb prinzipiell möglich, auf die Erregung und auf den Strom der Maschine einzuwirken. So ist es möglich, bei konstanter Erregung eine Frequenzregelung dadurch zu erreichen, daß der Strom der zusätzlichen Maschine, beispielsweise mittels eines Pulswechselrichters, verändert wird. Die entgegengesetzte Lösung liegt darin, bei konstantem Strom die Erregung zu verstellen. Dieses letztgenannte Prinzip benutzt eine wegen ihrer konstruktiven Einfachheit und ihres günstigen Regelverhaltens besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, wonach ein Regler in die Erregung der zusätzlichen Wechselstrommaschine eingreift. Eine weitere Regel- öder Steuereinrichtung beeinflußt die Aussteuerung des Umrichters derart, daß der Eingangsstrom des Wechselrichterteils des Umrichters drehzahlunabhängig ist. Die Erfindung sei im folgenden an Hand einer Zeichnung beschrieben.

Eine mit der veränderlichen Drehzahl /I₁ umlaufende Antriebswelle 1, hier eine Schiffspropellerwelle, treibt ein Differentialgetriebe 4 an. Dessen mit der konstant geregelten Drehzahl n₃ umlaufende Ausgangswelle 3 ist gekuppelt mit einem das Wechselstromnetz 5 speisenden, in üblicher Weise durch die Erregerwicklung 6 erregten Synchrongenerator 7. Die Differenzwelle 2 treibt mit der Drehzahl /I₂ die zusätzliche Wechselstrommaschine 8 an, welche ein Synchrongenerator ist und im Normalbetrieb über einen Umschalter 9 und einen aus dem Gleichrichter 10 und dem Wechselrichter 11 bestehenden Umrichter das Netz 5 gleichzeitig mit dem Synchrongenerator 7 speist. Eine Regelung der Netzfrequenz geschieht nach einem Vergleich des Istwerts der Frequenz / (proportional /i₃) mit der Sollfrequenz /_s mittels eines Vergleichsglieds 12 durch den Regler und Verstärker 13, der den Strom der Erregerwicklung 14 der zusätzlichen Wechselstrommaschine 8 verstellt. Der Eingangsstrom des Wechselrichters 11 wird durch eine durch einen Wirkungspfeil angedeutete, an sich bekannte und deshalb hier nicht näher dargestellte Regelvorrichtung konstant gehalten.

Im Falle eines plötzlichen, unvorhergesehenen Abfalls der Drehzahl n\ der Antriebswelle 1 unter den Mindestwert, bei der eine Umkehr der Drehrichtung der Welle % nötig wird, um die Konstanz der Drehzahl η_Λ zu erhalten, trennt der Umschalter 9 die zusätzliche Wechselstrommaschine 8 von dem Umrichter 10, 11 und schließt sie als Motor über die Leitung 15 direkt an das Wechselstromnetz 5 an. Dabei wird

die Frequenzregelung 12, 13, 14 unwirksam. Gleichzeitig mit dem Umschalten können unwichtige Verbraucher für die Dauer des Störungszustandes mittels der Schalter 16 vom Netz getrennt werden.

Bei Beseitigung des Störungszustandes nach kurzer Dauer kann durch erneutes Umlegen des Umschalters 9 der Normalbetrieb wieder "aufgenommen werden. Bei Fortdauer des Störungszustandes werden nach dem Inbetriebsetzen von zusätzlichen Stromquellen der Synchrongenerator und die zusätzliche Wechselstrommaschine 8 durch nicht gezeigte Mittel mechanisch von der Antriebswelle oder unter gleichzeitigem Abschalten der Erregerwicklungen 6 und 14 elektrisch vom Netz 5 getrennt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Generatoranlage für Wechselstrom konstanter Frequenz bei wechselnder Antriebsdrehzahl, enthaltend einen ein Wechselstromnetz direkt speisenden Synchrongenerator und ein von einer Antriebswelle, beispielsweise eih|r-Schiff spropellerwelle, angetriebenes Differentialgetriebe, dessen Ausgangswelle den Synchrongenerator mit Hilfe einer Drehzahlregelung mit konstanter Drehzahl antreibt, unter Anwendung einer an die Differenzwelle des Differentialgetriebes angekuppelten, zusätzlichen Wechselstrommaschine, die im Normalbetrieb als Generator arbeitet und das Wechselstromnetz über einen steuerbaren Umrichter speist, dadurch gekennzeichnet, daß bei plötzlichem, unvorhergesehenem Abfall der Drehzahl der Antriebswelle (1) unter einen Mindestwert die als Synchrongenerator arbeitende zusätzliche Wechselstrommaschine (8) mittels eines Umschalters (9) vom Umrichter (10, 11) trennbar und direkt an das Wechselstromnetz (S) anschließbar ist, wobei dann die zusätzliche Wechselstrommaschine (8) aus dem Synchrongenerator (7) über das Netz (5) als Motor gespeist ist.

2. Generatoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter (10, 11) aus einem Gleichrichter (10) und einem nachgeschalteten, vom Netz kommutierten Wechselrichter (11) besteht.

3. Generatoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter (10, 11) aus einem Gleichrichter (10) und einem nachgeschalteten, netzgeführten, selbst kommutierenden Wechselrichter (11) besteht.

4. Generatoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Frequenzregelung ein Regler (13) in die Erregung (14) der zusätzlichen Wechselstrommaschine (8) eingreift.

5. Generatoranlage nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Regeloder Steuereinrichtung die Aussteuerung des Umrichters (10, 11) so beeinflußt, daß der Eingangsstrom des Wechselrichterteiles (11) des Umrichters (10, 11) drehzahlunabhängig ist.