DE4218298A1

DE4218298A1 - Permanenterregtes generatorsystem

Info

Publication number: DE4218298A1
Application number: DE4218298A
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Okamoto; Katsuhiko Kibe
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-06-04
Filing date: 1992-06-03
Publication date: 1992-12-10
Anticipated expiration: 2012-06-04
Also published as: DE4218298C2; GB2256509B; CA2063643A1; JPH056232A; GB2256509A; US5206580A; GB9208200D0; CA2063643C; JP2738605B2

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 µ_s≈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 µ_s≈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 E_f (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, V_tq 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 E_f dem Wert OB₁ von Fig. 6, (X₁·I)_q entspricht EB₂ oder B₁B₂ von Fig. 6 und V_tq ent spricht EH₂₂ oder OB₂ von Fig. 6. Die Ausgangsspannung V_t 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 I_f größer als ein Strom I_f0 ist, welcher denjenigen Erregerstrom be zeichnet, bei dem der Leistungsfaktor des in den synchronen Phasenschiebers 2 fliegenden Ankerstroms I_c gleich 1.0 ist; der Strom des voreilenden Leistungsfaktors erhöht sich daher mit zunehmendem Erregerstrom. Wenn nun der Erregerstrom kleiner als der Strom I_f0 ist, ist der in den synchronen Phasenschieber 2 fließende Ankerstrom I_c 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 V_t abgeben den permanenterregten Synchrongenerator 1 angeschlossen wird, wird ein Laststrom I_L eindeutig von der Impedanz Z der Last 11 gemäß folgender Gleichung bestimmt:

In Fig. 10 ist der aktive Strom I_p des Laststroms I_L die rechtwinklige Projektion des Laststroms I_L auf die Ausgangs spannung V_t, wobei der aktive Strom I_p durch die Antriebsma schine 10 zugeführt wird. Die durch einen Linienabschnitt 91 angegebene reaktive Spannung jX₁·I_p wird durch Multiplika tion des aktiven Stroms I_p mit X₁ erhalten. Der Schnittpunkt der intern induzierten Spannung I_f 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 I_L parallel zur imaginären Achse verläuft, bezeichnet den Ankerstrom des permanenterregten Synchronmotors bzw. Synchrongenerators 1. Der Ankerstrom I_c 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 I_L verläuft. Wenn nun der Ankerstrom des synchronen Phasenschiebers 2 auf diese Weise bestimmt ist, wird der Ankerstrom I_g des permanenterregten Synchron generators 1 anhand der Fig. 4 in Verbindung mit der Glei chung (5) ermittelt. Die Ausgangsspannung V_t wird durch Sub straktion der Ankerrückwirkungs-Spannung jX₁·I_g im belaste ten Zustand von der intern induzierten Spannung E_f bestimmt. Der Ankerstrom I_c, welcher die intern induzierte Spannung E_f und die Ausgangsspannung V_t konstant macht, ist einzig vom Laststrom I_L 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 V_t 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 I_f demgemäß in Übereinstimmung mit der Abweichung der erfaßten Ausgangs spannung V_t von der Referenzspannung V_b. Die Steuereinheit 8 verringert den Erregerstrom I_f, wenn gilt V_t·V_b, oder sie vergrößert den Erregerstrom I_f, wenn gilt V_t < V_b. Wenn nun der Erregerstrom I_f verringert wird, nimmt die voreilende Komponente des Ankerstroms I_c ab, d. h., die nacheilende Kom ponente des Ankerstroms I_c vergrößert sich, so daß die nach eilende Komponente des Ankerstroms I_g zunimmt, die Ankerrück wirkung zunimmt, und der d-Achsen-Magnetfluß abnimmt, um die Ausgangsspannung V_t zu verringern. Im Gegensatz dazu wird der Erregerstrom I_f zur Erhöhung der Ausgangsspannung V_t 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 I_c (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 I_c 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 I_c 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 I_c 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 I_c 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 I_c erforderlich ist, wie dies mittels einer Linie 202 in Fig. 12 angedeutet ist. Aus Fig. 12 ist zu erkennen, daß der Maximalwert des Ankerstroms I_c 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 I_c 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

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).

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 (I_g ) des permanenterregten Synchrongenerators (1) gleich der Summe aus einem Laststrom (I_L ) und dem Ankerstrom (I_c) 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 (I_f) 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 (I_f) 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<.

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.