DE2045015A1 - Energieversorgungsanlage, insbes. für Flugzeuge, mit einem durch eine Kraftmaschine mit veränderlicher Drehzahl angetriebnen Asynchrongenerator - Google Patents
Energieversorgungsanlage, insbes. für Flugzeuge, mit einem durch eine Kraftmaschine mit veränderlicher Drehzahl angetriebnen AsynchrongeneratorInfo
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Description
Energieversorguttgsanlage, insbesondere für Flugzeuge, mit einem
durch eine Kraftmaschine mit veränderlicher Drehzahl angetriebenen
Asynchrongenerator
Auf dem Gebiet der Energieversorgung muß zuweilen die Aufgabe
gelöst werden, aus einer Kraftmaschine mit sieh verändernder Drehzahl (Elektromotor, Verbrennungsmotor, Turbine) und einem
damit gekuppelten Generator elektrische Energie konstanter Frequenz zu gewinnen. Die damit verbundenen Probleme sind beispielsweise
bei Netzkupplungsumformern, bei sogenannten Stoßumformern,
bei Wellengeneratoren auf Schiffen und auch bei Flugzeug-Bordnetzgeneratoren bisher mit mehr oder weniger aufwendigen
Mitteln gelöst worden.
An Bord von Flugzeugen werden üblicherweise der oder die Generatoren
zur Erzeugung einer konstanten Frequenz über mechanischhydraulische Getriebe auf konstante Drehzahl gebracht. Das Streben nach einer rein elektrischen Lösung anstelle dieser mechanisch-hydraulischen
ist bei Flugzeuggeneratoren neben gemischt mechanisch-elektrischen Ausgleichsantrieben heute in erster
Linie darauf gerichtet, den Bordnetzgenerator mit der in der Drehzahl veränderliehen Turbine unmittelbar verbunden zur Erzeugung
einer entsprechend schwankenden Frequenz heranzuziehen
und aus dieser mittels statischer Umrichter eine Spannung konstanter
Frequenz zu erzeugen. Von einer solchen Lösungsmöglichkeit wird z.B. auch bei den genannten Wellengeneratoren in der
Schiffstechnik Gebrauch gemacht.
Eine andere bekannte Methode zur Lösung dieser Aufgabe, wie sie bei den oben erwähnten Netzkupplungsumformern und Stoßleistungsumformern
angewendet wird, besteht darin, die Nichtübereinstimmung
von Maschinendrehzahl und der gewünschten bzw. vorgegebenen Frequenz der Spannung dadurch auszugleichen, daß dem Läufer der
Maschine ( Asynchronmaschine) über einen Frequenzumformer eine
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Schlupffrequenz solcher Größe und Phasenfolge zugeführt
daß der Frequenzfehlbetrag mit dem Ergebnis konstanter Ständer-, frequenz stets ausgeglichen wird. PUr die Herstellung dieser
ergänzenden Schlupffrequenzen, die den läufern der Maschinen
zugeführt werden, bedient man sich heute vorwiegend statischer Umrichter.
In anderer Richtung ist auch eine Anordnung bekannt geworden, bei der zwei mechanisch gekuppelte Induktionsmaschinen, von der
drehzahlveränderlichen Antriebsmaschine gemeinsam angetrieben, in einer auf die zu erzeugende Frequenz abgestimmten Resonanzschaltung
arbeiten, wobei ein leistungsloser Taktgeber die gedämpften Eigenschwingungen des Aggregates aufrecht erhält.
Um dies zu erreichen, ist eine Rüokkopplungswicklung notwendig und ist ferner eine besondere Wickellage dieser Wicklung sowie
der Statoren zueinander herzustellen. Das Aggregat kann nur dann generatorisch arbeiten, wenn die Rotationsfrequenz höher
als die Taktfrequenz liegt, also nur im Übersynchronismus.
Zur Lösung der Aufgabe, bei einer selbständigen Energieversorgungsanlage
mit einem durch eine Kraftmaschine mit veränderlicher
Drehzahl angetriebenen Asynchrongenerator eine Spannung konstanter Frequenz zu erzeugen, benutz^., die Erfindung zwar ebenfalls Maschi
nenkombinationen, jedoch in physikalisch anderer und wesentlich einfacherer Wirkungsweise. Die Erfindung geht ähnlich wie bei
den oben angeführten Netzkupplungs- und Stoßleistungs-Umformer-r
anlagen von einer laufergespeisten Asynchronmaschine als Generator
aus, der zur Erzeugung einer konstanten Frequenz mit entsprechend veränderlicher Schlupffrequenz im Läufer gespeist
wird. Dabei ist jedoch der Läufer des Asynchrongenerators nicht - wie bekannt - mit einem Frequenzumformer (Umrichter) verbunden,
sondern erfindungsgemäß sowohl mechanisch als auch elektrisch mit
dem Läufer einer zweiten normalen Asynchronmaschine kleiner Leistung, die ihrer Wirkungsweise entsprechend im nachfolgenden als
Umkehrmaschine bezeichnet wird und deren Ständerwicklung an eine Wechselstromerregerquelle konstanter Frequenz angeschlossen1ist,
die für die Schlupfleistung der Umkehrmaschine bemessen ist.
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Die.Wechselstromerregerquelle ist also in ihrer Fr.equenz nicht
mehr abhängig von ./1 er Drehzahl der Kraftquelle veränderlich,
sondern ist konstant, ohne notwendigerweise mit der gewünschten Generatorfrequenz übereinstimmen zu müssen. Die auf diese Weise
-gebildete Maschinenkombination arbeitet stets als Generator, gleichgültig ob die Rotationsfrequenz größer oder kleiner als
die gewünschte Generatorfrequenz ist. Das Aggregat stellt keinen Resonanzkreis mit einem leistungslosen Taktgeber dar, sondern
eine offene Masehinenkaskade, der von der erregenden
Wechselstromquelle konstanter Frequenz her Wirk- und Blindleistung zugeführt werden muß. Es genügen dafür gewöhnliche Asynchronmaschinen, ohne Rückkopplungswicklangen und ohne besondere
Dimensionierung über Winkellagen von Y/icklungen gegeneinander.
Auch braucht aufgrund der Wirkungsweise die Phasenfolge zwischen den Maschinen nicht vertauscht zu werden. Es liegt ferner entscheidend
im Prinzip der Erfindung, daß die Kombination Asynchrongenerator - Umkehrmaschine beliebig oft bei mechanischer
Hintereinanderschaltung wiederholt werden kann, wobei die der
letzten Umkehmaschine in einer solchen Kette zuzuführende Leistung immer kleiner wird, was gegebenenfalls wesentliche Vorteile
bringen kann.
Die ^Vorteile der Erfindung gegenüber bisher gebräuchlichen
Techniken liegen in der Anwendung einfacher, leichter und billiger
Asynchronmaschinen gegenüber Synchronmaschinen, einer wesentlichen Verkleinerung der aufzubringenden Erregerleistung,
kleinem Klirrfaktor der Spannung ohne die Notwendigkeit von Filtern, praktisch trägheitsloser Regelfähigkeit und damit ausgezeichneter
Regeldynamik, schleifringloser Ausführung und damit
'wartungsarmen Betrieb.
Die Erfindung wird in ihrer Wirkungsweise anhand der in der
Zeichnung dargestellten speziellen Ausführungsbeispiele' näher
erläutert. Darin zeigen: .
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer autarken Energieversorguugsanlage
zur Erzeugung einer Spannung konstan- :
ter Frequenz bei veränderlicher Drehzahl,
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Pig. 2 eine Energieflußdarstellung zu Pig. 1 und Pig. 3 eine Weiterbildung der in ,Pig. ,1 gezeigten Anordnung. . '* y
In Pig. 1 ist eine Drehstrom-Asynchronmaschine 2 über eine
Welle 1a mit einer Turbine' z.B. eines Fahrzeuges verbunden, die mit stark veränderlicher Drehzahl angetrieben wird. Die
Asynchronmaschine 2 liefert über ihre Ständerwicklung 21 elektrische Energie in ein Netz R, S, T. Der mit einer Drehstromwicklung
22 versehene Läufer 2b ist erfindungsgemäß starr mit
dem Läufer 3b einer zweiten, Umkehrmaschine genannten Drehstrom-Asynchronmaschine
3 verbunden, deren Läufer eine Drehstromwicklung 32 trägt. Der Ständer 3a der Umkehrmaschine 3 hai; eine
Drehstromwicklung 31» die an eine Wechselstromerregerquelle 4 konstanter Frequenz angeschlossen ist. Bei der als Erfindungsbeispiel dargestellten autarken Anordnung dient als Wechselstromerregerquelle
4 ein von einer Hilfserregeranordnung 5 gespeister Umrichter, der für die Schlupfleistung der an ihm
angeschlossenen Induktionsmaschine 3 bemessen ist j jedoch kann
auch jede andere etwa zur Verfugung stehende Wechselstromquelle
ausreichender Leistung und konstanter Frequenz Verwendung finden. Die Asynchronmaschinen 2, 3 sind in vorteilhafter
Weise schleifringlos ausgebildet und auch die für ein autarkes' ■
System notwendige Erregeranordnung 5 besteht in üblicher Weise aus einer als schleifringlose Synchronmaschine 5e ausgebildeten
Erregermaschine und einer diese erregenden Synchron-Hilfserregermaschine
5a. Die Hilfserregermaschine 5a ist ist in üblicher Weise mit außenliegenden Permanent-Magnetpolen 5b und einer im
Läufer angeordneten Induktionswicklung 5c versehen, die über eine rotierende Gleichrichteranordnung 5d mit der Gleichstrom- ,
erregerwicklung 5f der Synchronmaschine 5e verbunden ist. Die
Ständerwicklung 5g dieser Synchronmaschine speist über die Wechselstromerregerquelle 4 die Ständerwicklung 31 der Induktionsmaschine
3 mit elektrischer Energie der verlangten konstanten Frequenz von z.U. 400 Hz.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise sei angenommen, daß die beiden zu 'einem Maschinensatz M1 zusammengefaßten Asynchronmaschinen
zweipolig (mit einem Polpaar) ausgeführt sind und die
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Turbinendrehzahl "unterhalb der Synchrondrehzahl von 24000 U/Min
liegt, wobei die Drehzahl der !Turbine 1 in einem Bereich von 10000 bis 20000 U/min schwanken soll. In der Läuferwicklung
der UmkehrmasDhine 3 wird durch die Erregung der Wicklung 31
'mit konstanter Frequenz jeweils eine Spannung mit einer.Frequenz
erzeugt, die sich aus der Differenz der Ständerfrequenz .und der Läuferfrequenz ergibt', so daß bei 10000 U/min der Welle
1a in der Läuferwicklung. 32 die Frequenz 400 Hz - 167 Hz = 233 Hz und bei 20000 U/min 400 Hz - 333 Hz = 67 Hz, entsteht.
Die von der Läuferwicklung 32 gespeiste Läuferwicklung 22 des
Äsynchrongenerators 2 erzeugt sodann - gleicher Wicklungssinn
vorausgesetzt - ein Drehfeld, das jeweils mit der Summe aus der Rotationsfrequenz der Welle 1a und der Frequenz der Spannung der Läuferwicklung 32 umläuft. Damit ist die Umlauffrequenz
dieses Drehfeldes in der Induktionsmaschine 2 und damit die
Frequenz der in das Netz R, S, T abgegebenen Spannung unabhängig
von. der Drehzahlschwankung der Welle 1a immer gleich der
von dem Umrichter 4 vorgegebenen Frequenz. Beispielsweise beträgt
bei einer Drehzahl der Welle 1a von 20000 U/min die Ständerfrequenz 167 Hz + 233 Hz = 400 Hz und bei einer Drehzahl
der Welle ta von 10000 U/min 67. Hz + 333 Hz, also ebenfalls 400 Hz. Die Regelung der Ausgangsfrequenz des Asynchrongenerators
2 läßt sich dabei ebenso wie die Spannung und ihre Phasenlage
durch den Umrichter 4· bei konstanter Umriehterfrequeniä
linear stellen, wie dies auch mit anderen Wechselstromquellen | erfolgen müßte. Die Zusammenhänge werden auch aus der Energieflußdärstellung
in Fig. 2 deutlich. Danach werden z.B. bei der
niedrigsten Drehzahl 10000 U/min, die den größten Energiebedarf erfordert, für die Generatorleistung P = 100$ rd. 42$ Leistung
vom Generator selbst aus mechanischer Energie geliefert, während
rd. 58$ als elektrische Schlupfenergie von der Umkehrmaschine
2 zu liefern sind. Die Umkehrmaschine ihrerseits erzeugt
rd. 25$ wiederum aus mechanischer Energie, so daß die der Kaskade zuzuführende elektrische Erregerleistung nurmehr rd. 33$
der Generatorleistung betragen muß. Dieser Umrichterleiäbungsaufwand
geht beispielsweise von 33$ auf 25$ zurück, wenn anstel-•
Ie; des angenommenen Drehzahlschwankungsbereiches 1:2 ein solcher
von 1:1,7 zugrunde gelegt wird.
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Gemäß einer anderen zusätzlichen Ausgestaltung der Erfindung
ist die Polpaarzahl der vom Umrichter 4 gespeisten Umkehrmaschine
3 im Ständer und Läufer unterschiedlich ausgelegt und
zwar ist ausgehend von dem bereits beschriebenen untersynchronen Betrieb der Induktionsmaschinen 2, 3 die Po.lpaarzahl z.B.
des Läufers 3b größer, insbesondere zwei bis viermal größer als die Polpaarzahl des Ständers 3a. Die mit einer Drehzahl
zwischen 10000 und 20000 U/min angetriebene Induktionsmaschine 2 wäre dabei wie im beschriebenen Beispiel zweipolig ausgelegt,
während die Umkehrmaschine 3 im Ständer zweipolig, im
Läufer dagegen vier- oder achtpolig etc. ausgeführt ist. Dadurch
braucht die Ständerwicklung 31 der Induktionsmaschine 3 nur mehr mit 1/2 bis 1/4 etc. der von der Wicklung 21 abzugebenden
Frequenz erregt zu werden. Die Ausgangsfrequenz des Umrichters 4 läßt sich somit in diesem Falle auf 1/2 bis 1/4, bei
400 Hz Generatorfrequenz auf 200 bis 100 Hz herabsetzen. Damit wird beispielsweise erreicht, daß infolge der niedrigeren Schaltfrequenz
die Schaltverluste der Thyristoren des Umrichters 4 zugunsten der Umrichterauslegung herabgesetzt werden können.
Andererseits ist es damit auch möglich, bei einem Direktumrichter,
dessen Eingangsfrequenz unter Beibehaltung der Ausgangsfrequenz, im Beispiel 100 oder 200 Hz, heraufzusetzen, also
den Frequenzhub im Direktumrichter zu vergrößern, wodurch die Kurvenform der Umrichterausgangsspannung und damit auch die
Kurvenform der Spannung des Generators 2 verbessert werden kann. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in den
Leitungszug zwischen dem Umrichter 4 und der von ihm gespeisten Induktionsmaschine 3 mindestens ein weiterer Maschinensatz M2
geschaltet, der aus einer mit der Umkehrmaschine 3 drehmomentschlüssig
verbundenen dritten Induktionsmaschine 6 und einer mit dieser läuferseitig sowohl mechanisch als auch elektrisch
verbundenen vierten Induktionsmaschine 7 besteht. (Siehe Fig.3) Auf diese Weise wird mit immer kleiner werdenden Maschinen
die von außen aufzubringende Erregerleistung bzw. die Umrichterleistung
nach einer Potenzreihe abnehmend immer kleiner, was ,gegebenenfalls zuf einer einfacheren Umriciiterbauweise (Tran-*
sistoren gegenüber Thyristoren) oder bei vorgegebenem Umrichter zu einer Vergrößerung der Abgabeleistung der Kaskade fUhrt.,"
2Ο9β1ί7δίθ9
Ii t
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Anwendungsgebiete der Erfindung sind alle generatorischen
und motorischen Anlagen, bei denen die Masehinen-Rotationsfrequenz
nicht mit der Frequenz der erzeugenden oder vom Netz her
. anstehenden Spannung übereinstimmt, wie z.B. bei Wellengenera-'
toren auf Schiffen, Bordnetzgeneratoren von Flugzeugen, Netzkupplungsumformern,
Stoßleistungsumformern. -
Gegenüber bekannten Anordnungen, z.B. für Netzkupplungsumformer
und Stoßleistungsumformer, bei denen die lauferwicklung 22 der
Maschine 2 von einem Frequenzumformer (Umrichter) mit der notwendigen ergänzenden Schlupffrequenzleistung versorgt wird,
wobei die Schlupffrequenz den Drehzahlschwankungen regelnd nachgeführt werden muß, befreit tile erfindungsgemäße Anordnung mit
Umkehrmaschine von der Notwendigkeit der Darbietung einer veränderlichen Frequenz und läßt konstante Erregerfrequenz schleifringlos
für die Schlupfleistungsbelieferung des Generators 2 zu.
Neben diesem Vorteil ist es ebenfalls ein wesentliches Ergebnis
der Erfindung, daß die dem System zuzuführende Erregerleistungs-.größe
durch die Umkehrmaschine beträchtlich herabgesetzt wird.
Vergleicht man die erfindungsgemäße Lösung schließlieh mit der
eingangs genannten bei Wellengeneratoren und Flugzeuggeneratoren gebräuchlichen Technik, bei der einem Synchrongenerator mit
- der Drehzahl entsprechend - veränderlicher Frequenz der erzeugten Netzspannung ein Umrichter zur Frequenzkonstantmachung
vorgeschaltet ist, der damit also für die volle Generatorleistung bemessen werden muß, so wird der Vorteil der Erfindung
hinsichtlieh der grundlegenden Leistungselnsparung beim Umrichter (im Beispiel auf ein Drittel) besonders deutlich, zumal die
Umrichter den kostspieligsten Anlagenteil darstellen. Vorteilhaft kommt insbesondere bei Flugzeuggeneratoren noch hinzu,
daß die Lösung gemäß der Erfindung mit Asynchronmaschinen und
Umrichter praktisch keine magnetische Trägheit im Gegensatz zu einer Synchronmaschine besitzt und somit eine wesentlich verbesserte
Begeldynamik liefert, was bei dieser Anwendung besonders wichtig ist. Es kommt ferner vorteilhaft hinzu, daß die
Welligkeit der erzeugten Spannung allein schon aufgrund des
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wesentlich kleineren Leistungsverhältnisses des stark Oberwellen·^
erzeugenden Umrichters bei der erfinderischen lösung wesentlich''
herabgesetzt ist und ein Filteraufwand am Generatorausgang,· wenn überhaupt erforderlich, reduziert werden kann. Auf sehr
niedrige Welligkeit der erzeugten Spannung kommt es aber bei Plugzeuggeneratoren ebenfalls besonders an.
7 Patentansprüche
3 Figuren
3 Figuren
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Claims (1)
- Patentansprüche[1.} Energieversorgungsanlage, insbesondere für Flugzeuge, mit einem durch eine Kraftmaschine mit veränderlicher Drehzahl , angetriebenen Asynchrongenerator,der zur Erzeugung einer 'konstanten Frequenz mit entsprechend veränderlicher Schlupffrequenz im Läufer gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer des Asynchrongenerators (2) sowohl mechanisch als- auch elektrisch mit dem Läufer einer zweiten normalen Asynchronmaschine (Umkehrmaschine) (3) kleinerer Leistung verbunden ist, deren Ständerwicklüng an eine Wechselstromerregerquelle (4) konstanter Frequenz angeschlossen ist, die für die Schlupfleistung der Umkehrmaschine (3) bemessen ist. '2, Energieversorgungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Asynchrongenerator (2) und die Umkehrmaschine(3) schleifringlos ausgeführt sind.3. Energieversorgungsanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Erregerstromquelle (4) konstanter Frequenz ein statischer Umrichter, insbesondere ein Direktumrichter, dient.4t Energieversorgungsanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerstromquelle | i (4) von einer synchronen Hilfsgeneratoranordnung (5) gespeist wird, die mit dem Asynchrongenerator (2) und der Umkehrmaschine (3) mechanisch verbunden ist.5. Energieversorgungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umkehrmaschine (3) im Ständer und Läufer mit unterschiedlicher Polpaarzahl ausgeführt ist.6. Energieversorgungsanlage nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß bei untersynchronem Betrieb des aus Asynchrongenerator (2) und Umkehrmaschine (3) gebildeten Maachineαν ." satzes (M1) die von der Erregerstromquelle (4) gespeiste2G9812709708ORIGINAL INSPECTEDVPA 70/3213Umkehrmaschine (3) im läufer mit höherer Polpaarzahl als im Ständer ausgeführt ist.Energieversorgungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Erregerstromquelle (4) und dem aus den beiden Maschinen (2, 3) gebildeten Maschinensatz (M1) mindestens ein weiterer Maschinensatz (M2, M3) geschaltet ist, der aus einer mit der Umkehrmaschine (3) drehmomentschlüssig verbundenen dritten Maschine (6) und einer mit* dieser läuferseitig sowohl mechanisch als auch elektrisch verbundenen vierten Maschine (7) besteht.- 10 -209812/07OdORlQiNAL INSPECTED
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