DE2045015A1

DE2045015A1 - Energieversorgungsanlage, insbes. für Flugzeuge, mit einem durch eine Kraftmaschine mit veränderlicher Drehzahl angetriebnen Asynchrongenerator

Info

Publication number: DE2045015A1
Application number: DE19702045015
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Rambold
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-09-11
Filing date: 1970-09-11
Publication date: 1972-03-16
Also published as: GB1369844A; FR2107573A5

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 zu^f einer einfacheren Umriciiterbauweise (Tran-* sistoren gegenüber Thyristoren) oder bei vorgegebenem Umrichter zu einer Vergrößerung der Abgabeleistung der Kaskade fUhrt.,"

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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

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Claims

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) gespeiste

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Umkehrmaschine (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.

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