DE4218298A1 - Permanenterregtes generatorsystem - Google Patents
Permanenterregtes generatorsystemInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein permanenterregtes Genera
torsystem, das einen synchronen Permanentmagnet-Generator
bzw. einen permanenterregten Synchrongenerator zur Erzeugung
elektrischer Leistung mit einer festen Ausgangsspannung ver
wendet.
Die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils an Hand einer
Querschnittsdarstellung eine Vorderansicht bzw. eine Seiten
ansicht eines herkömmlichen elektromagnetischen bzw. perma
nenterregten Synchrongenerators. Der permanenterregte Syn
chrongenerator weist einen Rahmen bzw. ein Gehäuse 31, eine
Rotor- bzw. Ankerwelle 36, Lager 32 und 33, in denen die Ro
torwelle 36 gelagert ist, einen Stator- bzw. Ständerkern 34,
eine Stator- bzw. Ständerwicklung 35 (Ausgangswicklung) so
wie Permanentmagneten 37 auf, die zur Erzeugung eines magne
tischen Drehfelds an der Rotorwelle 36 befestigt sind. Der
Statorkern 34 und die Statorwicklung 35 bilden zusammen
einen Anker (armature) bzw. den Stator.
Im Betrieb hängt der vom permanenterregten Synchrongenerator
erzeugte magnetische Fluß von den Betriebscharakteristiken
bzw. -bedingungen zwischen der magnetischen Flußdichte B der
zur Erzeugung eines rotierenden Magnetfelds dienenden
Permanentmagneten und der magnetischen Spannung H bzw. Ma
gneto-EMK ab, wobei die Ausgangsspannung des permantent er
regenden Synchrongenerators in Abhängigkeit vom Laststrom
schwankt. Der nacheilende Strom unter den Komponenten des
Laststroms hat eine entmagnetisierende Wirkung, welche die
Ausgangsspannung verringert. Der voreilende Strom hat demge
genüber eine magnetisierende Wirkung, welche die Ausgangs
spannung erhöht. Die Ausgangsspannungcharakteristiken eines
derartigen permanenterregten Synchrongenerators sind folg
lich vom Last/Leistungsfaktor abhängig, weshalb dieser per
manenterregte Synchrongenerator nicht in der Lage ist, seine
Ausgangsspannung auf einem konstanten Wert zu halten. Ein
permanenterregter Synchrongenerator dieser Art wurde daher
bislang nur für solche eingeschränkte Zwecke herangezogen,
bei denen keine Steuerung des permanent erregten
Synchrongenerators erforderlich ist und Spannungsschwan
kungen keine Probleme bereiten. Im übrigen ist es bekannt,
eine auf Zener-Dioden basierende Spannungsregelungschaltung
in Verbindung mit einem permanenterregten Synchrongenerator
von vergleichsweise kleiner Kapazität bzw. Leistung zu
verwenden, um gemäß der Darstellung in Fig. 3 eine Lei
stungsquelle mit konstanter Spannung zur Verfügung zu stel
len.
Im einzelnen zeigt Fig. 3 einen permanenterregten Synchron
generator 1, einen Spannungsdetektor 5 zum Erfassen der über
den beiden Phasen des permanenterregten Synchrongenerators 1
anliegenden Spannung, Unterbrecher 9, die in den jeweiligen
Leitungen der Phasen angeordnet sind, eine über eine
Wellenkupplung mit dem permanenterregten Synchrongenerator 1
direkt gekoppelte Antriebsmaschine 10, eine Last 11, drei
Paare von Zener-Dioden 40 sowie Strombegrenzungswiderstände
41. Jeweils zwei gepaarte Zener-Dioden 40 sind gegensinnig
zueinander seriell zwischen zugeordneten Phasen angeordnet.
Wenn die Ausgangsspannung des permanenterregten Synchronge
nerators einen bestimmten Wert überschreitet, wird eine der
zwei gepaarten Zener-Dioden 40 leitend und schneidet dadurch
die betreffende Spannungsspitze ab, so daß der Last 11 eine
konstante Spannung zugeführt wird.
Da ein herkömmlicher permanenterregter Synchrongenerator die
vorstehend erläuterten Eigenschaften hat, ist ein derartiges
Abschneiden bzw. Begrenzen von Spannungsspitzen erfor
derlich, um eine konstante Spannung zu erzielen. Daher ist
der Betriebswirkungsgrad eines derartigen permanenterregten
Synchrongenerators sehr gering und der permanenterregte Syn
chrongenerator ist ferner nicht in der Lage, die Spannung
wieder aufzubauen, wenn die Spannung aufgrund einer Änderung
in der Last bzw. der Belastung zu sinken beginnt. Weitere
technische Einzelheiten über einen derartigen herkömmlichen
permanenterregten Synchrongenerator sind beispielsweise in
der japanischen Gebrauchsmusteroffenlegungsschrift 60-3670
offenbart.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Lösung der
vorgenannten Probleme ein magnetoelektrisches Generatorsy
stem mit einem permanenterregten Synchrongenerator zu schaf
fen, das in der Lage ist, eine Verringerung im Betriebswir
kungsgrad des permanenterregten Synchrongenerators selbst
dann zu verhindern, wenn die auf den permanenterregten Syn
chrongenerator einwirkende Belastung Schwankungen unter
liegt, und das weiterhin in der Lage ist, die Ausgangsspan
nung des permanenterregten Synchrongenerators konstant zu
halten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1
angegebenen Maßnahmen gelöst.
Das erfindungsgemäße permanenterregte Generatorsystem weist
demzufolge einen permanenterregten Synchrongenerator, einen
mit der Ausgangsseite des permanenterregten Synchrongenera
tors verbundenen synchronen Phasenschieber, einen
Spannungsdetektor zum Erfassen der Ausgangsspannung des per
manenterregten Synchrongenerators, einen Komparator zum
Vergleichen der von dem Spannungsdetektor erfaßten Spannung
mit einer über eine Spannung-Einstelleinrichtung eingestell
ten Bezugsspannung, einer mit Feldwicklung des synchronen
Phasenschiebers verbundenen Erregerstrom-Regelungsschaltung
sowie eine Steuereinheit auf, welche die Erregerstrom-Rege
lungsschaltung unter Zugrundelegung des Ausgangssignals des
Komparators steuert.
Der bei dem erfindungsgemäßen permanenterregten Generatorsy
stem verwendete synchrone Phasenschieber ist mit der
Ausgangsseite des permanenterregten Synchrongenerators
verbunden und der dem synchronen Phasenschieber zugeführte
Erregerstrom wird so gesteuert, daß der Ankerstrom des syn
chronen Phasenschiebers geregelt wird und die magnetisieren
den und entmagnetisierenden Komponenten des Laststroms auf
gehoben bzw. unterdrückt werden, wobei der Ausgangsstrom des
permanenterregten Synchrongenerators so gesteuert wird, daß
die Ausgangsspannung des permanenterregten Synchrongenera
tors konstant bleibt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung nä
her erläutert. Es zeigt
Fig. 1 an Hand eines halben Längsquerschnitts den
grundsätzlichen Aufbau eines typischen permanenterregten
Synchrongenerators;
Fig. 2 einen seitlichen Querschnitt entlang einer in
Fig. 1 gezeigten Linie II-II;
Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm eines herkömmlichen
permanenterregten Generatorsystems;
Fig. 4 anhand eines Blockschaltbilds den prinzipiellen
Aufbau eines ersten Ausführungsbeispieles des erfindungsge
mäßen permanenterregten Generatorsystems;
Fig. 5 ein Kennlinienfeld zur Erläuterung der
Eigenschaften von Permanentmagneten, die als Feldmagnete ei
nes im permanenterregten Generatorsystem der Fig. 4 verwen
deten permanenterregten Synchrongenerators dienen;
Fig. 6 an Hand eines Kennlinienfelds die vereinfacht
dargestellten Eigenschaften der vorstehend erwähnten, als
Feldmagnete dienenden Permanentmagneten;
Fig. 7 ein für Erläuterungszwecke dienendes Zeigerdia
gramm des permanenterregten Synchrongenerators;
Fig. 8 ein Kennlinienfeld der einzelnen
Spannungscharakteristiken des permanenterregten Synchronge
nerators;
Fig. 9 ein Kennlinienfeld der Ankerstrom-Charakteristi
ken eines bei dem permanenterregten Generatorsystem der Fig.
4 verwendeten synchronen Phasenschiebers;
Fig. 10 ein Diagramm, daß zur Erläuterung eines erfin
dungsgemäßen Magnetfluß-Steuerungsverfahrens dient;
Fig. 11 anhand einer graphischen Darstellung die Bezie
hung zwischen den einzelnen Spannungscharakteristiken des
permanenterregten Synchrongenerators des permanenterregten
Generatorsystems der Fig. 4 und einer Bezugsspannung;
Fig. 12 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der
Ankerstrom-Charakteristiken des synchronen Phasenschiebers
zum Konstanthalten der Ausgangsspannung des permanenterreg
ten Synchrongenerators;
Fig. 13 anhand eines Blockschaltbilds ein zweites
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen permanenterrregten
Generatorsystems;
Fig. 14 anhand eines Blockschaltbilds ein drittes
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen permanenteregten
Generatorsystems.
Gemäß Fig. 4 weist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfin
dungsgemäßen magnetoelektrischen bzw. permanenterregten
Generatorsystems einen synchronen Permanentmagnet-Generator
bzw. permanenterregten Synchrongenerator 1, der Permanentma
gnete zur Erzeugung eines rotierenden Magnetfelds besitzt,
einen synchronen Phasenmodifizierer bzw. Phasenschieber 2,
der mit der Ausgangsseite des permanenterregten Synchronge
nerators 1 verbunden ist, eine Feldwicklung 3 des synchronen
Phasenschiebers 2, eine Vielzahl von Thyristoren 4, die eine
Erregerstrom-Regelungsschaltung zur Zufuhr eines Erreger
stroms zur Feldwicklung 3 unter Gleichrichtung eines Wech
selstromes und gleichzeitiger Steuerung eines Erregerstroms
bilden, einen Spannungsdetektor 5 zum Erfassen der Ausgangs
spannung des permanenterregten Synchrongenerators 1, einen
Komparator 6 zum Vergleichen eines Ausgangssignals des Span
nungsdetektors 5 mit einer Bezugs- bzw. Referenzspannung,
eine Spannungs-Einstelleinrichtung 7 zum Einstellen der Re
ferenzspannung, eine Steuereinheit 8 in Form einer Gate-
Steuerschaltung, welche die mit der Feldwicklung 3 des syn
chronen Phasenschiebers 2 verbundenen Thyristoren 4 unter Zu
grundelegung des Ausgangssignals des Komparators 6 ansteu
ert, Unterbrecher bzw. Überlastschalter 9 und 13, Transfor
matoren bzw. Überträger 12 und 14, eine Antriebsmaschine 10
sowie eine Last 11 auf. Die Steuereinheit 8 ist eine Gate-
Steuerschaltung, welche die Gates der Thyristoren 4 ansteu
ert. In Fig. 4 sind ein Leistungsfaktor-Detektor und eine
Leistungsfaktor-Einstelleinrichtung nicht dargestellt.
Bei der Inbetriebnahme wird die Antriebsmaschine 10 gestar
tet. Während die Antriebsmaschine 10 zeitweilig in einem
Konstant-Drehzahl-Zustand gehalten wird, bei der die An
triebsmaschine 10 mit einer konstanten Drehzahl im Bereich
von 10-50% ihrer Nenn- bzw. Nominal-Drehzahl arbeitet, wird
der synchrone Phasenschieber 2 mit dem permanenterregten
Synchrongenerator 1 verbunden. In diesem Stadium ist der
synchrone Phasenschieber 2 noch nicht erregt. Wenn die Dreh
zahl bis in die Nähe der Synchrondrehzahl erhöht ist, wird
dem synchronen Phasenschieber 2 ein im wesentlichen dem
Nennstrom entsprechender Erregerstrom zugeführt, um ihn zum
Erreichen des Synchronzustands bzw. Gleichlaufs zu erregen.
Nach Erreichen des Gleichlaufs wird der Erregerstrom verrin
gert, so daß der Leistungsfaktor des Ankerstroms des syn
chronen Phasenschiebers 2 beinahe gleich dem Wert 1.0 ist.
Daraufhin wird die Drehzahl der mit dem permanenterregten
Synchrongenerator 1 gekoppelten Antriebsmaschine 10 schnell
auf ihre Nenn-Drehzahl erhöht. Beim Erhöhen der Drehzahl der
Antriebsmaschine 10 wird der Erregerstrom des synchronen
Phasenschiebers 2 derart eingestellt, daß der Leistungsfak
tor des Ankerstroms des synchronen Phasenschiebers 2 beinahe
gleich dem Wert 1.0 ist. Nachdem sich die Ausgangsspannung
des permanenterregten Synchrongenerators 1 der Nenn-Span
nung, nämlich einer Referenzspannung, angenähert hat, wird
eine Konstantspannungs-Steuerungsbetriebsart begonnen. Nach
dem auf diese Weise ein Start- bzw. Anlaufvorgang zum Her
beiführen bzw. Stabilisieren der Drehzahl und der Spannung
des permanenterregten Synchrongenerators 1 abgeschlossen
ist, wird die Last 11 an das permanenterregte Generatorsy
stem angeschlossen.
Nachfolgend werden die Charakteristiken bzw. Eigenschaften
dieses permanenterregten Generatorsystems näher erläutert.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung welche eine Änderung
der Magneto-EMK bzw. magnetischen Spannung H (in Oe) bezüg
lich der magnetischen Flußdichte B (in G) zeigt. Die Wirkung
des beziehungsweise der Permanentmagneten des permanenter
regten Synchrongenerators 1 zur Erzeugung eines rotierenden
Magnetfelds ist durch eine zurückweichende Linie BrHc darge
stellt. In Fig. 5 bezeichnet Br die remanente magnetische
Flußdichte bzw. Induktion, während Hc die Koerzitivkraft be
zeichnet. Ein aus seltenen Erden bestehender Magnet hat eine
magnetische Permeabilität µs≈1, weshalb die Neigung der
zurückweichenden Linie auf dem B-H-Koordinatensystem unge
fähr 45° beträgt. Unter Belastung arbeitet der permanenter
regte Synchrongenerator 1 an einem Punkt E, der zwischen ei
nem Betriebspunkt C in einem offenen, unbelasteten Zustand
und einem Betriebspunkt D in einem Drei-Phasen-Kurzschluß
zustand liegt.
Nachfolgend wird die physikalische Bedeutung der Linienab
schnitte in der graphischen Darstellung in der Fig. 5 näher
erläutert. Im unbelasteten Zustand repräsentiert ein
Linienabschnitt CB1 die Amperewindungen bzw. Durchflutung
(die nachfolgend mit "AT" bezeichnet wird) des unbelasteten
Spalts, ein Linienabschnitt CD1 repräsentiert den unbelaste
ten magnetischen Fluß in der D-Achse, d. h., das Produkt aus
der magnetischen Flußdichte (Induktion) und der Fläche des
Magneten, welches die Ausgangsspannung im unbelasteten Zu
stand bestimmt, während ein Linienabschnitt D1H1 den
Streufluß im unbelasteten Zustand darstellt. In einem Drei-
Phasen-Kurzschlußzustand repräsentiert ein Linienabschnitt
DH3 eine Drei-Phasen-Kurzschlußentmagnetisierungs-Durchflu
tung bzw. -AT, d. h., die in der d-Achse verlaufende Kompo
nente der Drei-Phasen-Kurzschluß-Ankerrückwirkungs-Magneto-
EMK, während ein Linienabschnitt DH3 den Drei-Phasen-Kurz
schluß-Streufluß darstellt. Im unbelasteten, bzw. lastfreien
Zustand repräsentiert ein Linienabschnitt EF die in der d-
Achse verlaufende Komponente der Last-Ankerrückwirkungs-Ma
gneto-EMK, ein Linienabschnitt FB2 repräsentiert die Durch
flutung (AT) des belasteten Spalts, ein Linienabschnitt ED2
repräsentiert den magnetischen Fluß im belasteten Zustand in
der d-Achse, während ein Linienabschnitt D2H2 den Streufluß
im belasteten Zustand darstellt.
Unter der Annahme, daß der Streufluß vernachlässigbar klein
ist, erhält man den in Fig. 6 gezeigten Kurvenverlauf, indem
der Wert der horizontalen Achse bzw. Abszisse mit einem Fak
tor X1 multipliziert wird, welcher durch den nachfolgend
wiedergegebenen Ausdruck (1) zur Koordinatentransformation
definiert ist:
X₁ ≡ OB₁/OH₃ (1)
Die graphische Darstellung der Fig. 6 wird durch
Vernachlässigung des Streuflusses und der Spaltdurchflutung
(Spalt-AT), die in Fig. 5 beide berücksichtigt sind, erhal
ten. Punkte B1, B2 und O auf der vertikalen Achse bzw. Ordi
nate in Fig. 6 entsprechend jeweils Punkten C, F′ und D1′ in
Fig. 5. Da der Streufluß vernachlässigt ist, gilt: OB1 = D1
und C = D1′C=D1′D; OH3 = B3D und X1 = D1′D/B3 D.
Die Multiplikation der Werte der Magneto-EMK auf der
horizontalen Achse ist folglich äquivalent zur Bildung ei
nes Dreiecks CDD1′ durch Verschieben von Punkten F und B3
auf einem Dreieck CDB3 zu jeweiligen Punkten F′ und D1′ in
Fig. 5. Die in Fig. 6 gezeigte Charakteristik kann daher er
halten werden, ohne die Spaltdurchflutung (Spalt-AT) zu be
rücksichtigen. In Fig. 6 repräsentiert die vertikale Achse
die Charakteristiken im unbelasteten Zustand, während die
horizontale Achse die Charakteristiken bei einem Drei-Pha
sen-Kurzschluß repräsentiert.
Die Proportionalkonstante X1 ist ein Umsetzungsfaktor (Reak
tanz) zum Umsetzen der Durchflutung (AT), d. h. dem Strom,
entsprechenden Magneto-EMK in den der Spannung entsprechen
den Magnetfluß und ermöglicht es dadurch, die Ankerrückwir
kungs-Magneto-EMK und den Magnetfluß in Fig. 6 als gleiche
skalare Größe zu behandeln. Folglich gilt:
EH₂₂ + EB₂ = OB₁ (2)
In dieser Gleichung bezeichnet EH22 den d-Achsen-Magnetfluß
im belasteten Zustand und entspricht EB2 in Fig. 5, während
EB2 die d-Achsen-Komponente der Ankerrückwirkungs-Magneto-
EMK im belasteten Zustand bezeichnet und EF in Fig. 5 ent
spricht. Der resultierende Wert OB1 ist gleich dem Wert OB1
von Fig. 5 und repräsentiert den d-Achsen-Magnetfluß im un
belasteten Zustand, nämlich eine intern induzierte Spannung.
Gleichung (2) hat demgemäß die Bedeutung, daß die Summe des
d-Achsen-Magnetflusses im belasteten Zustand und der d-Ach
sen-Komponente der Ankerrückwirkungs-Magneto-EMK im belaste
ten Zustand gleich dem d-Achsen-Magnetfluß im unbelasteten
Zustand ist.
Da ein Magnet aus seltenen Erden eine magnetische
Permeabilität von µs≈1 hat, ist die Magneto-EMK ungefähr
gleich dem Magnetfluß. Der Magnetfluß kann durch Multipli
zieren des Magnetflusses mit der Anzahl der effektiven Wick
lungszweige des permanenterregten Synchrongenerators 1 in
eine Spannung umgesetzt bzw. umgerechnet werden. Folglich
gilt: (intern induzierte Spannung) = (q-Achsen-Spannung im
belasteten Zustand) + (q-Achsen-Komponente der Ankerrückwir
kungs-Spannung im belasteten Zustand). Dadurch werden die
vereinfachten Permanentmagnet-Charakteristiken der Fig. 6
und die q-Achsen-Spannung (d-Achsen-Magnetfluß) des Zeiger
diagramms der Fig. 7 in eine gegenseitige Beziehung ge
bracht. In Fig. 7 bezeichnet Ef (Armatuer current) die in
tern induzierte Spannung des permanenterregten Synchrongene
rators 1, (X1·I)q die q-Achsen-Komponente der Ankerrückwir
kungs-Spannung im belasteten Zustand, Vtq die q-Achsen-Kom
ponente der Ausgangsspannung und δ den internen Phasenwin
kel. Mit R ist der Leistungsfaktorwinkel und mit I der Strom
bezeichnet. In Fig. 7 entspricht Ef dem Wert OB1 von Fig. 6,
(X1·I)q entspricht EB2 oder B1B2 von Fig. 6 und Vtq ent
spricht EH22 oder OB2 von Fig. 6. Die Ausgangsspannung Vt
läßt sich durch folgende Gleichung ausdrücken.
Die Beziehung zwischen der Spannung und dem Strom des perma
nenterregten Synchrongenerators 1 läßt sich folglich durch
die in Fig. 8 gezeigte Schar von einzelnen Spannungs-Charak
teristiken bzw. Spannungs-Kennlinien ausdrücken. Da die q-
Achsen-Komponente der Ankerrückwirkungs-Spannung für den
nacheilenden Strom groß ist, fällt die Spannung mit dem
Strom stark ab. Da die q-Achsen-Komponente der Ankerrückwir
kungs-Spannung für den Strom eines Leistungsfaktors von 1.0
klein ist, fällt die Spannung mit dem Strom schwach ab. Da
die q-Achsen-Komponente der Ankerrückwirkungs-Spannung klein
ist, erhöht sich im Gegensatz dazu die der vektoriellen Zu
sammensetzung bzw. dem Summenvektor der q-Achsen-Spannung
und der d-Achsen-Spannung entsprechende Ausgangsspannung mit
dem Strom.
Nachfolgend werden die Charakteristiken bzw. Eigenschaften
des synchronen Phasenschiebers 2 näher erläutert. Aus Fig. 9
ist zu erkennen, daß der Ankerstrom dann einen voreilenden
Leistungsfaktor aufweist, wenn der Erregerstrom If größer
als ein Strom If0 ist, welcher denjenigen Erregerstrom be
zeichnet, bei dem der Leistungsfaktor des in den synchronen
Phasenschiebers 2 fliegenden Ankerstroms Ic gleich 1.0 ist;
der Strom des voreilenden Leistungsfaktors erhöht sich daher
mit zunehmendem Erregerstrom. Wenn nun der Erregerstrom
kleiner als der Strom If0 ist, ist der in den synchronen
Phasenschieber 2 fließende Ankerstrom Ic ein einen nachei
lenden Leistungsfaktor aufweisender Strom, so daß sich der
den nacheilenden Leistungsfaktor nachweisende Strom mit ab
nehmendem Erregerstrom erhöht.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 10 ein Magnet
fluß-Steuerungsverfahren näher erläutert. Wenn die Last 11
an den eine Leistung mit einer Ausgangsspannung Vt abgeben
den permanenterregten Synchrongenerator 1 angeschlossen
wird, wird ein Laststrom IL eindeutig von der Impedanz Z der
Last 11 gemäß folgender Gleichung bestimmt:
In Fig. 10 ist der aktive Strom Ip des Laststroms IL die
rechtwinklige Projektion des Laststroms IL auf die Ausgangs
spannung Vt, wobei der aktive Strom Ip durch die Antriebsma
schine 10 zugeführt wird. Die durch einen Linienabschnitt 91
angegebene reaktive Spannung jX1·Ip wird durch Multiplika
tion des aktiven Stroms Ip mit X1 erhalten. Der Schnittpunkt
der intern induzierten Spannung If mit einem Kreis 92 ist
die Position der q-Achse. Der Schnittpunkt einer geraden
Linie 93, welche senkrecht zu einer den Schnittpunkt und
das Ende des Vektors der Ausgangsspannung verbindenden
Linie verläuft und durch den Ursprung O geht, mit einem Linien
abschnitt 94, der vom Endpunkt des Vektors des Last
stroms IL parallel zur imaginären Achse verläuft, bezeichnet
den Ankerstrom des permanenterregten Synchronmotors bzw.
Synchrongenerators 1. Der Ankerstrom Ic des synchronen Pha
senschiebers 2 ist mittels eines Vektors angegeben, dessen
Endpunkt am Schnittpunkt der imaginären Achse mit einem Li
nienabschnitt liegt, das vom Schnittpunkt 3 parallel zum
Vektor des Laststroms IL verläuft. Wenn nun der Ankerstrom
des synchronen Phasenschiebers 2 auf diese Weise bestimmt
ist, wird der Ankerstrom Ig des permanenterregten Synchron
generators 1 anhand der Fig. 4 in Verbindung mit der Glei
chung (5) ermittelt. Die Ausgangsspannung Vt wird durch Sub
straktion der Ankerrückwirkungs-Spannung jX1·Ig im belaste
ten Zustand von der intern induzierten Spannung Ef bestimmt.
Der Ankerstrom Ic, welcher die intern induzierte Spannung Ef
und die Ausgangsspannung Vt konstant macht, ist einzig vom
Laststrom IL abhängig, so daß eine Konstantspannungs-Steue
rung erzielt wird.
Die q-Achsen-Komponente der auf den Laststrom
zurückzuführenden Ankerrückwirkungs-Spannung wird daher
durch Steuerung des reaktiven Stroms mittels des synchronen
Phasenschiebers 2 gesteuert und die Ausgangsspannung Vt des
permanenterregten Synchrongenerators 1 wird konstant gehal
ten, indem die Vektorsumme aus der q-Achsen-Spannung (EH22
in Fig. 6) und der d-Achsen-Spannung konstant gehalten wird.
Die Steuereinheit 8 regelt den Erregerstrom If demgemäß in
Übereinstimmung mit der Abweichung der erfaßten Ausgangs
spannung Vt von der Referenzspannung Vb. Die Steuereinheit 8
verringert den Erregerstrom If, wenn gilt Vt·Vb, oder sie
vergrößert den Erregerstrom If, wenn gilt Vt < Vb. Wenn nun
der Erregerstrom If verringert wird, nimmt die voreilende
Komponente des Ankerstroms Ic ab, d. h., die nacheilende Kom
ponente des Ankerstroms Ic vergrößert sich, so daß die nach
eilende Komponente des Ankerstroms Ig zunimmt, die Ankerrück
wirkung zunimmt, und der d-Achsen-Magnetfluß abnimmt, um die
Ausgangsspannung Vt zu verringern. Im Gegensatz dazu wird
der Erregerstrom If zur Erhöhung der Ausgangsspannung Vt
vergrößert.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 11 die Einstel
lung der Referenzspannung näher erläutert. In Fig. 11 ist
die individuelle Spannungscharakteristik des permanenterre
geten Synchrongenerators 1 bezüglich der Last 11 bei einem
nacheilenden Leistungsfaktor von 0.8 durch eine Linie 100
angegeben. Der Schnittpunkt 105 der Linie 100 dieser indivi
duellen Spannungscharakteristik mit der Spannungs-Achse ist
die individuelle Spannung im unbelasteten Zustand, während
eine dem Nenn-Strom entsprechende Spannung 106 gleich der
individuellen Nenn-Spannung im belasteten Zustand ist (eine
Spannung für eine Last des Nenn-Ausgangs und des Nenn-Lei
stungsfaktors). Es sei angenommen, daß die Referenzspannung
so eingestellt ist, wie dies mittels einer Linie 101 ange
deutet ist. Der Ankerstrom Ic (reaktive Komponente) des syn
chronen Phasenschiebers 2 im unbelasteten Zustand ist 0. In
einem nacheilenden Lastzustand wird eine Span
nungskompensation von einem Punkt 106 zu einem Punkt 107 hin
durchgeführt, was einen großen nacheilenden Ankerstrom Ic
erforderlich macht, wie dies durch eine Linie 200 in Fig. 12
angedeutet ist.
Wenn die Referenzspannung so eingestellt ist, wie dies durch
eine Linie 103 angedeutet ist, kann der Ankerstrom Ic in ei
nem Nenn-Lastzustand (reaktive Komponente) 0 sein. Jedoch
ist in einem unbelasteten Zustand eine Spannungskompensation
von einem Punkt 105 zu einem Punkt 108 hin erforderlich,
wozu ein großer nacheilender Ankerstrom Ic benötigt wird,
wie dies durch eine Linie 201 in Fig. 12 angedeutet ist.
Wenn die Referenzspannung 102 zwischen der individuellen
Spannung im unbelasteten Zustand und der individuellen Nenn-
Spannung im belasteten Zustand liegt, ist in einem unbela
steten Zustand lediglich eine Kompensation um eine geringe
Spannung vom Punkt 105 zu einem Punkt 109 hin mittels des
nacheilenden Ankerstroms Ic erforderlich, während in einem
Nenn-Lastzustand lediglich eine Kompensation um eine geringe
Spannung vom Punkt 106 zu einem Punkt 110 hin mittels des
voreilenden Ankerstroms Ic erforderlich ist, wie dies mittels
einer Linie 202 in Fig. 12 angedeutet ist. Aus Fig. 12 ist
zu erkennen, daß der Maximalwert des Ankerstroms Ic für den
synchronen Phasenschieber 2 dadurch verringert werden kann,
daß die Referenzspannung auf einen Wert eingestellt wird,
der zwischen der individuellen Spannung im unbelasteten Zu
stand und der Nenn-Spannung im belasteten Zustand des perma
nenterregten Synchrongenerators 1 liegt. Wenn ein Transfor
mator 12 ankerseitig mit dem synchronen Phasenschieber 2
verbunden wird, kann dieser Transformator 12 von geringer
Kapazität bzw. Leistung sein.
Ein Schnittpunkt 111 der die individuelle
Spannungscharakteristik angebenden Linie 100 mit der die Re
ferenzspannung bezeichnenden Linie 102 befindet sich zwi
schen dem unbelasteten Zustand und dem Nenn-Lastzustand. Der
Ankerstrom Ic des synchronen Phasenschiebers 2 hat beim
Schnittpunkt 111 einen Minimalwert, so daß der synchrone
Phasenschieber 2 und der Transformator 12 bei diesem
Schnittpunkt 111 mit dem geringsten Verlust arbeiten und das
Generatorsystem in der Lage ist, den höchsten Wirkungsgrad
zu erzielen.
Das permanenterregte Konstantspannungs-Generatorsystem kann
zum Erregen des synchronen Phasenschiebers 2 entweder das in
Fig. 4 gezeigte statische Erregersystem oder ein bürstenlo
ses Erregersystem verwenden. Das Erregersystem zum Erregen
des synchronen Phasenschiebers 2 kann gemäß der Darstellung
in den Fig. 4 oder 14 ein den Ausgang des permanenterreg
ten Synchrongenerators 1 verwendendes selbsterregtes System
oder auch ein nicht gezeigtes separates Erregersystem sein,
das eine externe Stromversorgungsquelle verwendet. Gemäß
Fig. 14, welche ein einen synchronen Phasenschieber mit ei
nem bürstenlosen Erregersystem verwendendes permanenterreg
tes Generatorsystem zeigt, wird über einen Thyristor 4, d. h.,
über eine Erregerstrom-Regelungsschaltung, der Feldwicklung
18 eines Wechselstrom-Erregers (Drehanker-Synchrongenerator)
ein Erregerstrom zugeführt. Fig. 14 zeigt weiterhin einen
Rotor 20 des bürstenlosen synchronen Phasenschiebers 2,
einen Anker 21 des Wechselstrom-Erregers, einen Drehgleich
richter 22 sowie eine Feldwicklung 23 des synchronen Phasen
schiebers 2. Der Anker 21, der Drehgleichrichter 22 und die
Feldwicklung 23 sind auf dem Rotor 20 befestigt. Der syn
chrone Phasenschieber 2 ist stationär gehalten. Die übrigen
Komponenten entsprechen denen der Fig. 4, weshalb zur Ver
meidung unnötiger Wiederholungen auf eine erneute Erläute
rung verzichtet wird.
Das permanenterregte Konstantspannungs-Generatorsystem kann
den synchronen Phasenschieber 2 entweder mittels eines Nied
rigfrequenz-Startsystems starten, das dem synchronen Phasen
schieber 2 gleichzeitig mit dem Start des permanenterregten
Synchrongenerators 1 Strom zuführt, oder aber mittels eines
Systems, das dem synchronen Phasenschieber nach Abschluß des
Startens des permanenterregten synchronen Generators 1 eine
volle Spannung oder eine verringerte Spannung zum Starten
zuführt.
Gemäß der Darstellung in Fig. 13 kann das permanenterregte
Konstantspannungs-Generatorsystem von der Vektorsumme aus
dem Sekundärstrom eines Stromwandlers 15 und dem durch eine
zur Doppelschlußerregung (compound characteristics) vorgese
hene Drosselspule 16 fließenden Strom Gebrauch machen, diese
Vektorsumme in einen Gleichstrom umsetzen und den Gleich
strom über die Erregerstrom-Regelungsschaltung einer Erre
gerwicklung 3 zu führen.
Gemäß vorstehender Beschreibung besteht das erfindungsgemäße
permanenterregte Generatorsystem demgemäß aus einem perma
nenterregten Synchrongenerator, einem synchronen Phasen
schieber, der mit der Ausgangsseite des permanenterregten
Synchrongenerators verbunden ist, einem Komparator zum Ver
gleichen der mittels eines Spannungsdetektors erfaßten Aus
gangsspannung des permanenterregten Synchrongenerators mit
einer mittels einer Spannungs-Einstelleinrichtung einge
stellten Referenzspannung sowie einer Steuereinheit, die
eine mit der Feldwicklung des synchronen Phasenschiebers
verbundene Erregerstrom-Regelungsschaltung in Abhängigkeit
von dem Ausgangssignal des Komparators ansteuert. Hierdurch
wird erreicht, daß auf ein ineffizientes herkömmliches Span
nungssteuerungsverfahren verzichtet werden kann, bei dem
Spannungsspitzen, die eine vorbestimmte Spannung überschrei
ten, mit Hilfe von Zener-Dioden abgeschnitten werden; das
erfindungsgemäße Generatorsystem ist demgegenüber in der
Lage, übermäßige Spannungsabfälle zu kompensieren, so daß
eine Konstantspannung-Ausgangsleistung bei hohem Wirkungs
grad erzeugt werden kann. Das erfindungsgemäße permanenter
regte Generatorsystem ermöglicht es daher, den permanenter
regten Synchrongenerator auch in solchen Anwendungsfällen
heranzuziehen, bei denen ein permanenterregter Synchronge
nerator mit großer Kapazität bzw. Leistung erforderlich ist.
Die Einstellung der Referenzspannung des permanenterregten
Generatorsystems auf einen Wert, der zwischen der Spannung im
unbelasteten Zustand und der Nenn-Spannung im belasteten Zu
stand des permanenterregten Synchrongenerators liegt, ver
ringert den Ankerstrom (reaktive Komponente) des synchronen
Phasenschiebers in einen dazwischenliegenden bzw. mittleren
Lastzustand auf das geringste Ausmaß. Diese Möglichkeit, den
Ankerstrom des synchronen Phasenschiebers auf das geringste
Ausmaß zu verringern bzw. zu minimieren, ermöglicht es dem
permanenterregten Synchrongenerator, mit dem höchstmöglichen
Wirkungsgrad zu arbeiten, und unterdrückt darüberhinaus die
maximalen voreilenden und nacheilenden Ströme, weshalb der
synchrone Phasenschieber lediglich eine vergleichsweise ge
ringe Kapazität bzw. Leistung aufweisen kann.
Claims (9)
1. Permanenterregtes Generatorsystem mit:
einem permanenterregten Synchrongenerator (1), der Perma nentmagnete (37) zum Erzeugen eines rotierenden Magnetfelds aufweist;
einem synchronen Phasenschieber (2), der mit der Aus gangsseite des permanenterregten Synchrongenerators (1) ver bunden ist;
einem Spannungsdetektor (5) zum Erfassen der Ausgangs spannung des permanenterregten Synchrongenerators (1);
einem Komparator (6) zum Vergleichen der mittels des Span nungsdetektors (5) erfaßten Spannung mit einer mittels einer Spannungs-Einstelleinrichtung (7) eingestellten Referenz spannung;
einer mit der Feldwicklung (3) des synchronen Phasen schiebers (2) verbundenen Erregerstrom-Regelungsschaltung (4); und
einer Steuereinheit (8) zum Steuern der Erregerstrom-Rege lungsschaltung in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Komparators (6).
einem permanenterregten Synchrongenerator (1), der Perma nentmagnete (37) zum Erzeugen eines rotierenden Magnetfelds aufweist;
einem synchronen Phasenschieber (2), der mit der Aus gangsseite des permanenterregten Synchrongenerators (1) ver bunden ist;
einem Spannungsdetektor (5) zum Erfassen der Ausgangs spannung des permanenterregten Synchrongenerators (1);
einem Komparator (6) zum Vergleichen der mittels des Span nungsdetektors (5) erfaßten Spannung mit einer mittels einer Spannungs-Einstelleinrichtung (7) eingestellten Referenz spannung;
einer mit der Feldwicklung (3) des synchronen Phasen schiebers (2) verbundenen Erregerstrom-Regelungsschaltung (4); und
einer Steuereinheit (8) zum Steuern der Erregerstrom-Rege lungsschaltung in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Komparators (6).
2. Permanenterregtes Generatorsystem nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß der synchrone Phasenschieber (2)
derart mit dem permanenterregten Synchrongenerator (1) ver
bunden ist, daß der Ankerstrom (Ig ) des permanenterregten
Synchrongenerators (1) gleich der Summe aus einem Laststrom
(IL ) und dem Ankerstrom (Ic) des synchronen Phasenschiebers
(2) ist.
3. Permanenterregtes Generatorsystem nach Anspruch 2, da
durch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung des per
manenterregten Synchrongenerators (1) mittels des synchronen
Phasenschiebers (2) über den reaktiven Strom gesteuert wird.
4. Permanenterregtes Generatorsystem nach einem der An
sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerein
heit (8) die Erregerstrom-Regelungsschaltung (4) derart
steuert, daß der Erregerstrom (If) für den synchronen Pha
senschieber (2) verringert wird, wenn die mittels des Span
nungsdetektors (5) erfaßte Spannung höher als die Referenz
spannung ist, und daß der Erregerstrom (If) für den synchro
nen Phasenschieber (2) erhöht wird, wenn die mittels des
Spannungsdetektors (5) erfaßte Spannung kleiner als die Re
ferenzspannung ist.
5. Permanenterregtes Generatorsystem nach einem der An
sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mittels der
Spannungs-Einstelleinrichtung (7) eingestellte Re
ferenzspannung zwischen der individuellen Spannung im unbe
lasteten Zustand und der individuellen Nenn-Spannung im be
lasteten Zustand des permanenterregten Synchrongenerators
(1) liegt.
6. Permanenterregtes Generatorsystem nach einem der An
sprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch:
eine mit dem Anker des synchronen Phasenschiebers (2) ver bundene Drosselspule (16);
einen mit dem Anker des synchronen Phasenschiebers (2) ver bundenen Stromwandler (15); und
einen Gleichrichter (17) zum Gleichrichten der Summe aus dem durch die Drosselspule (16) fließenden Strom und dem Aus gangsstrom des Stromwandlers (15) und zum Zuführen des gleichgerichteten Stroms zur Erregerwicklung (3) des syn chronen Phasenschiebers (2) <Fig. 13<.
eine mit dem Anker des synchronen Phasenschiebers (2) ver bundene Drosselspule (16);
einen mit dem Anker des synchronen Phasenschiebers (2) ver bundenen Stromwandler (15); und
einen Gleichrichter (17) zum Gleichrichten der Summe aus dem durch die Drosselspule (16) fließenden Strom und dem Aus gangsstrom des Stromwandlers (15) und zum Zuführen des gleichgerichteten Stroms zur Erregerwicklung (3) des syn chronen Phasenschiebers (2) <Fig. 13<.
7. Permanenterregtes Generatorsystem nach einem der An
sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der synchrone
Phasenschieber (2) von einem statischen Erregersystem erregt
wird.
8. Permanenterregtes Generatorsystem nach einem der An
sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der synchrone
Phasenschieber (2) von einem bürstenlosen Erregersystem er
regt wird.
9. Permanenterregtes Generatorsystem nach Anspruch 8, da
durch gekennzeichnet, daß die Erregerstrom-Regelungs
schaltung (4) den der auf dem Rotor des synchronen Pha
senschiebers (2) befestigten Feldwicklung (3) des synchronen
Phasenschiebers (2) zugeführten Erregerstrom steuert.
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