DE69501717T2

DE69501717T2 - Dreiphasiger, bürstenloser, selbsterregender Synchrongenerator ohne Rotorerregerwicklung

Info

Publication number: DE69501717T2
Application number: DE69501717T
Authority: DE
Inventors: Yukio Hosaka; Kenji Inoue; Yukio Onogi; Satoru Satake; Hideo Yamashita
Original assignee: Satake Engineering Co Ltd
Current assignee: Satake Engineering Co Ltd
Priority date: 1994-12-08
Filing date: 1995-12-07
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2015-12-08
Also published as: JPH08168221A; DE69501717D1; EP0716496B1; EP0716496A1; US5694027A; JP3489106B2

Description

Hintergrund der Erfindung

(1) Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen, seibsterregten Synchrongenerator, welcher fähig ist, Spannungen mit flachkompoundierten Eigenschaften gegenüber Belastungsänderungen zur Verfügung zu stellen, und in welchem die Ausgangsspannungen im nicht belasteten Zustand bzw. im belasteten Zustand frei kontrollierbar bzw. steuerbar sind, und insbesondere auf einen dreiphasigen, selbsterregten Synchrongenerator, welcher einfach und fest in seiner Struktur ist, in welchem magnetische Vibrationen und Rauschen reduziert sind und von welchem ein dreiphasiger Ausgang oder einphasiger Ausgang leicht erhalten werden kann.

(2) Beschreibung des Standes der Technik

Ein bürstenloser, selbsterregter Synchrongenerator, welcher intern eine Hauptstrom- bzw. Reihenschlußfunktion aufweist und welcher fähig ist, eine Spannung mit flachkompoundierten Eigenschaften auszugeben, ist beispielsweise in der japanischen Patentanmeldung Kokai Veröffentlichung Nr. Hei 3- 245755 geoffenbart. Fig. 1 zeigt schematisch eine Schaltung eines derartigen bürstenlosen, selbsterregten Synchrongenerators, welcher in der obengenannten Publikation Hei 3-245755 geoffenbart ist.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird eine Erläuterung des bürstenlosen, selbsterregten Synchrongenerators gegeben, welcher in der Publikation Nr. Hei 3-245755 geoffenbart ist. Auf einen Statoreisenkern 20 sind Primärgeneratorwicklungen U, V, W mit zwei Polen (in dieser Ausführungsform), welche eine konzentrierte Durchmesserwicklung oder ihre zugehörige Wicklungsstruktur aufweisen, und Statorfeldwicklungen 21 gewickelt, welche die fünffache Anzahl von Polen (in dieser Ausführungsform) wie diejenigen der Primärgeneratorwicklungen, d.h. 10 Pole (in dieser Ausführungsform), aufweisen. Auf einem Rotoreisenkern 22 sind Rotorfeldwicklungen 23, welche dieselbe Anzahl von Polen wie jene der Primärgeneratorwicklungen, d.h. zwei Pole (in dieser Ausführungsform), aufweisen, und Rotorerregerwicklungen 24 gewickelt, welche dieselbe Anzahl von Polen wie jene der Statorfeldwicklungen 21 aufweisen, d.h. 10 Pole, und welche magnetisch mit räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten fünfter Ordnung (10-Pol-Magnetfelder) der durch die Ströme in den Primärgeneratorwicklungen erzeugten Ankerrückwirkungs -Magnet felder gekoppelt sind. Zentrale Abnehmeranschlüsse u, v, w, welche jeweils an den Primärgeneratorwicklungen U, V, W vorgesehen sind, sind mit den Statorfeldwicklungen 21 durch eine Steuergleichrichtereinrichtung VR verbunden, welche von einem Dreiphasen-Vollweggleichrichter 25 und einem variablen Widerstand Rf gebildet sind. Die Rotorerregerwicklungen 24 sind mit den Rotorfeldwicklungen 23 durch eine Dioden-Brückenschaltung 26 verbunden.
Nun wird der tatsächliche Betrieb des obigen bürstenlosen, selbsterregten Synchrongenerators erläutert. Wenn der Rotor gedreht wird, werden elektromotorische Kräfte in den Primärgeneratorwicklungen U, V, W aufgrund des Restmagnetismus in dem Rotoreisenkern 22 induziert. Wechselströme (AC) fließen in die Primärgeneratorwicklungen U, V, W in Abhängigkeit von den induzierten elektromotorischen Kräften. Die induzierten elektromotorische Kräfte werden auch nach einem Gleichrichten durch den Dreiphasen-Vollweggleichrichter 25 auf die Statorfeldwicklungen 21 angewandt, sodaß ein Gleichstrom (DC) Ifs in den statorfeldwicklungen 21 fließt. In den Rotorerregerwicklungen 24 werden überlappende elektromotorische Kräfte induziert, deren Größe von dem statischen Magnetfeld, welches durch den Gleichstrom Ifs erzeugt wird, welcher in den Statorfeldwicklungen 21 fließt, und denjenigen abhängt, welche auf den harmonischen Komponenten fünfter Ordnung der durch die in den Primärgeneratorwicklungen fließenden Wechselströme erzeugten Ankerrückwirkungs-Magnetfeldern basieren. Die derart induzierten, überlappten, elektromotorischen Kräfte werden durch die Dioden-Brückenschaltung 26 gleichgerichtet, sodaß ein Gleichstrom If in den Rotorfeldwicklungen 23 fliebt. Daraus resultierend steigen die Primärmagnetfelder an und die in den Primärgeneratorwicklungen induzierten, elektromotorischen Kräfte steigen entsprechend an. Der Wert der Ausgangsspannung ist selbst-aufgebaut, basierend auf der Wiederholung der oben beschriebenen Vorgänge. In dem Fall, in welchem der Restinagnetismus im Rotoreisenkern 22 unzureichend ist, kann eine Start- oder Anfangserregung durch eine Batterie B durchgeführt werden.
In dem obigen bürstenlosen, selbsterregten Synchrongenerator steigen oder fallen in übereinstimmung mit dem Anstieg oder Abfall in den dreiphasigen Widerstandslasten oder induktiven Lasten (induktiver Leistungsfaktor) die räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten fünfter Ordnung der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder entsprechend dem Anstieg oder Abfall in den Arbeitsströmen und daraus resultierend steigen oder fallen die Gleichströme If in den Rotorfeldwicklungen 23, wodurch die Fluktuationen der Ausgangsspannungen unterdrückt werden. Derart kann der Generator eine Ausgangsspannung mit flachkompoundierten Merkmalen in bezug auf den Anstieg oder den Abfall in den Lasten erzeugen. In dem Fall, in welchem dreiphasige, nicht-abgeglichene bzw. unsymmetrische Lasten oder einphasige Lasten mit dem obigen Generator verbunden werden, werden, obwohl die Hauptstromerregungseffekte aufgrund der räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten fünfter Ordnung der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder im Vergleich zu dem Fall von dreiphasigen, abgeglichenen bzw. symmetrischen Lasten verringert werden, elektromotorische Kräfte in den Rotorfeldwicklungen 23 durch die räumliche Grundkomponente entgegengesetzter Phase der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder bei den einphasigen, nicht-abgeglichenen Lasten oder den einphasigen Lasten induziert. Da die induzierten elektromotorischen Kräfte durch die Dioden-Brückenschaltung 26 Halbwellen- bzw. Einweg-gleichgerichtet sind und die reduzierte Menge des Gleichstroms If in den Rotorfeldwicklungen 23 kompensieren, welcher durch den Abfall der Hauptstrornerregungseffekte bewirkt wird, zeigt der Generator in dem dreiphasigen, nicht-abgeglichenen oder dem einphasigen Lastzustand dieselbe flachkornpoundierte Charakteristik wie in dem dreiphasigen, abgeglichenen Lastzustand. Darüberhinaus können mit dem obigen bürstenlosen, selbsterregten synchrongenerator die Ausgangsspannungen in den nicht-belasteten und belasteten Zuständen frei durch die Steuerung des variablen Widerstands Rf, welcher mit den Statorfeldwicklungen 21 in Serie geschaltet ist, gesteuert werden.
Eine Methode, einen einphasigen Ausgang von dem dreiphasigen Synchrongenerator zu erhalten, ist es, einen Anschluß an einer vorgegebenen Wicklung der dreiphasigen Primärgeneratorwicklungen vorzusehen. Mit diesem Verfahren kann ein einphasiger Zweileitungsausgang zwischen dem Anschluß und dem Dreiphasen-Nullpunkt bzw. -Stempunkt erhalten werden. Ein anderes Verfahren ist, einen Transformator mit Einfachwicklung zwischen zwei vorgegebenen Ausgangsanschlüssen unter den Dreiphasen-Ausgangsanschlüs sen des dreiphasigen Generators zur Verfügung zu stellen. Mit diesem Verfahren kann ein einphasiger Dreileitungsausgang von dem Transformator abgeleitet werden.
Die Tatsache, daß ein einphasiger Zweileitungsausgang oder ein einphasiger Dreileitungsausgang anders als der dreiphasige Ausgang von dem dreiphasigen Generator erhalten werden kann, bedeutet, daß nur ein Generator eine Vielzahl von Lasten bewältigen kann. Es ist jedoch in dem Fall, in welchem ein einphasiger Zweileitungsausgang von dem dreiphasigen Generator erhalten wird, notwendig, einen Anschluß bzw. Abgriff an der einen der Primärgeneratorwicklungen vorzusehen. In diesem Fall wird ein Wicklungsverlust an den Statorwicklungen des Generators groß im Vergleich mit dem Fall des einphasigen Dreileitungssystems. In dem Fall des einphasigen Dreileitungsausgangs führt das Vorsehen des getrennten Transformators mit Einfachwicklung für den Generator zu erhöhten Kosten. Weiters tritt, wo die einphasige Last mit dem dreiphasigen Generator verbunden ist, eine Verzerrung in der Wellenform der Ausgangsspannungen auf, welche durch den Strom der harmonischen Ströme dritter Ordnung bewirkt wird.
Der bürstenlose, selbsterregte synchrongenerator, welcher in der obigen Publikation Nr. Hei 3-245755 geoffenbart ist, weist die folgenden Nachteile auf.
Das Problem ist, daß zwei Arten von Wicklungen, d.h. Rotorfeldwicklungen und Rotorerregerwicklungen, auf einen Rotoreisenkern gewickelt werden müssen. Das Erfordernis für eine Vielzahl von Arten von Wicklungen, welche auf den Rotoreisen kern gewickelt werden, macht unvermeidlich die Rotorstruktur komplex. Weiters wird die mechanische Festigkeit des Rotors verringert. Darüberhinaus wird die Möglichkeit eines Unfalls, wie ein Kurzschluß oder ein durch die Beschädigung der Isolierung bewirktes Brennen, hoch. Daher ist es wünschenswert, daß Wicklungen einer einzigen Art an dem Rotoreisenkern für die Zwecke der Erhöhung der Festigkeit und Zuverlässigkeit des Generators gewickelt werden.
Da darüberhinaus der obige bürstenlose, selbsterregte Synchrongenerator ein Verfahren anwendet, in welchem die Hauptstromerregungseffekte unter Verwendung einer harmonischen Komponente spezieller Ordnung unter den räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder, welche durch die Primärgeneratorwicklungen erzeugt werden, erhalten werden, muß die Polanzahl der Rotorerregerwicklungen, welche magnetisch mit den räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten der speziellen Ordnung gekoppelt sind, und diejenige der Statorfeldwicklungen, welche magnetisch mit den Rotorerregerwicklungen gekoppelt sind, dieselbe Anzahl wie die Polanzahl der harmonischen Komponenten spezieller Ordnung aufweisen. Beispielsweise ist in dem dreiphasigen Zweipolgenerator, in welchem die räumliche, höhere, harmonische Komponente fünfter Ordnung der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder als die Hauptstromerregungseffekte verwendet werden, von der Polanzahl sowohl der Statorfeldwicklungen als auch der Rotorfeldwicklungen gefordert, daß sie zehn (10) Pole beträgt, während sie in dem dreiphasigen Vierpolgenerator zwanzig (20) Pole betragen muß. Aus diesem Grund ist die Anzahl von Schlitzen, welche in dem Statorkern und dem Rotorkern, auf welchem die obigen Wicklungen gewickelt sind, vorgesehen sind, auf eine gewisse spezielle Anzahl entsprechend der speziellen Ordnung der räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten begrenzt, welche für die Hauptstromerregungs effekte des Feldsystems verwendet werden.
In dem Fall, in welchem die Anzahl der Schlitze, welche so wohl auf dem Stator- als auch in dem Rotorkern vorgesehen sind, auf eine spezielle Anzahl wie oben beschränkt werden muß, ergibt sich das folgende Problem. In einer Rotormaschine besteht eine Möglichkeit, daß ein großes Ausmaß an magnetischen Vibrationen oder Rauschen in Abhängigkeit von einigen Kombinationen der Anzahl von Schlitzen in dem Statorkern und der Anzahl von Schlitzen in dem Rotorkern auftritt. Daher ist in Rotormaschinen allgemein die Kombination der Anzahl von Schlitzen sowohl in dem Stator- als auch in dem Rotorkern so gewählt, daß die magnetischen Vibrationen und das Rauschen gering werden. Da jedoch in dem oben erläuterten, bürstenlosen, selbsterregten Synchrongenerator die Anzahl der Schlitze sowohl in dem Stator- als auch dem Rotorkern auf eine gewisse spezielle Anzahl beschränkt ist, welche durch die gewählte Ordnung der harmonischen Komponenten bestimmt ist, ist es nicht möglich, frei die Kombination der Anzahl von Schlitzen für den Zweck einer Reduktion der magnetischen Vibrationen und des Rauschens zu wählen. Daraus resultierend besteht eine Möglichkeit, daß ein großes Ausmaß an magnetischen Vibrationen und Rauschen in Abhängigkeit von der Kombination der Schlitzanzahl auftritt, welche durch die spezielle Ordnung, welche für die räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten verwendet wird, bestimmt wird.
Weiters ist es in dem obigen, bürstenlosen, selbsterregten Synchrongenerator gut bekannt, daß, wenn die Anzahl der Ordnung der ungeradzahligen, räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder hoch wird, die Ausgangsspannungen höherer Frequenz induziert werden können und daß, wenn die Frequenz hoch wird, die Verlustreaktanz ansteigt, sodaß der Strom eine Schwierigkeit hat, in der Schaltung zu fließen. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, daß die Zahl der Ordnung der zu verwendenden, räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten ungerader Ordnung so gering wie möglich ist. In dem bekannten, bürstenlosen, selbsterregten Synchrongenerator wurden jedoch nur mehr als die harmonischen Komponenten fünfter Ordnung unter den räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten ungerader Ordnung verwendet, wobei jedoch die räumliche, hhere, harmonische Komponente dritter Ordnung, welche niedriger als die obige fünfter Ordnung ist, nicht verwendet wurde. Dies deshalb, da die räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten dritter Ordnung einander innerhalb der dreiphasigen Schaltung auslöschen und nicht verwendet werden können. Für die Zwecke einer Reduzierung der Verlustreaktanz, welche durch die räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten bewirkt werden und für die wirksame Nutzung der räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten ungerader Ordnung der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder, war die Verwendung der räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten dritter Ordnung wünschenswert. In den konventionellen, dreiphasigen Generatorschaltungen gibt es jedoch kein Beispiel, in welchem die räumliche, höhere, harmonische Komponente dritter Ordnung verwendet wurde.
Weiters sind die bekannten Generatoren für allgemeine Zwecke allgemein in zwei Gruppen unterteilt, wobei einer ein einphasiger Generator und der andere ein dreiphasiger Generator ist. Es ist selbstverständlich, daß nur einphasige Lasten mit dem einphasigen Generator verbunden werden können, daß jedoch dreiphasige Lasten mit diesem nicht verbunden werden können. Mit dem dreiphasigen Generator können andere als die dreiphasigen, abgeglichenen Lasten (oder die dreiphasigen, nichtabgeglichenen Lasten) verbunden werden, wobei einphasige Lasten angeschlossen werden können, wie dies oben in dem Abschnitt der Beschreibung des bekannten Standes der Technik erläutert wurde, indem ein Abgriff an einer Phase der Primärgeneratorwicklungen vorgesehen ist oder indem ein Einzelwicklungs-Transformator zwischen den zwei Ausgangsanschlüssen der dreiphasigen Ausgangsanschlüsse angeschlossen wird, sodaß einphasige 100 V oder 200 V davon abgenommen werden können.
In dem Fall, in welchem ein Abgriff an der einphasigen Wicklung von drei vorgesehen ist, erfordert dies nicht nur das Abziehen des zusätzlichen Ausgangsanschlusses zum Erhalten der einphasigen 100 V, sondern es steigt auch der Wicklungsverlust an, da die Ströme für die einphasige Last nur- in der einen Phasenwicklung von drei strömt. Andererseits macht in dem Fall, in welchem der einphasige Transformator zwischen den zwei gegebenen Ausgangsanschlüssen des Generators vorgesehen ist, obwohl der Wicklungsverlust gering im Vergleich zu dem Fall eines Vorsehens eines oben beschriebenen Abgriffes ist, das Vorsehen des Einzelwicklungs-Transformators unweigerlich die Gesamtstruktur des Generators groß und erhöht die Kosten.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen dreiphasigen, bürstenlosen, selbsterregten Synchrongenerator zur Verfügung zu stellen, welcher keine Rotorerregerwicklungen an dem Rotor erfordert und in welchem die Anzahl von in dem Rotor vorgesehen Schlitzen unabhängig von der Ordnungszahl der räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder bestimmt werden kann.
Es ist ein anderes Ziel der Erfindung, einen dreiphasigen, bürstenlosen, selbsterregten Synchrongenerator zur Verfügung zu stellen, von welchem dreiphasige Ausgänge oder einphasige Ausgänge mit 100 V von einphasigen Zweileitungen oder 200 V von einphasigen Dreileitungen leicht erhalten werden können, ohne jegliche zusätzliche Vorrichtungen, wie einen Transformator, zu erfordern.
Gemaß einem Aspekt der Erfindung wird ein dreiphasiger, selbsterregter Synchrongenerator zur Verfügung gestellt, umfassend:
einen Stator mit einem Statorkern, Primärgeneratorwicklungen und Erregerwicklungen mit einer Polanzahl entsprechend einem ungeradzahligen Vielfachen der Polanzahl der Primärgeneratorwicklungen, wobei die Primärgeneratorwicklungen erste, zweite und dritte T-Verbindungs-Einphasenwicklungen aufweisen, welche derart miteinander verbunden sind, daß ein Ende der ersten Einphasenwicklung mit jeweils einem Ende der zweiten und dritten Einphasenwicklungen verbunden ist, welche jeweils elektrisch orthogonal auf die erste Einphasenwicklung sind;
einen Rotor mit einem Rotorkern und einer Vielzahl von auf dem Rotorkern gewickelten Feldwicklungen, welche dieselbe Polanzahl wie jene der Primärgeneratorwicklungen aufweisen, wobei die Vielzahl von Feldwicklungen an Positionen angeordnet sind, in welchen sie magnetisch sowohl mit den durch die Erregerwicklungen erzeugten, statischen Magnetfeldern als auch räumlichen, höheren harmonischen Komponenten ungerader Ordnung von durch die Primärgeneratorwicklungen erzeugten Ankerrückwirkungs-Magnetfeldern gekoppelt sind;
eine zwischen den Primärgeneratorenwicklungen und den Erregerwicklungen angeschlossene Steuergleichrichtereinrichtung zum Vollweggleichrichten von in den Primärgeneratorwicklungen induzierten elektromotorischen Kräften, sodaß Gleichströme in den Erregerwicklungen fließen; und
eine Vielzahl von Halbleiter-Gleichrichterelementen, welche jeweils in Serie zu der Vielzahl von Feldwicklungen geschaltet sind, zum Einweggleichrichten von jeweils in der Vielzahl von Feldwicklungen induzierten elektromotorischen Kräften, sodaß Gleichströme in der Vielzahl von Feldwicklungen fließen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein dreiphasiger, selbsterregter Synchrongenerator zur Verfügung gestellt, umfassend:
einen Stator mit einem Statorkern, Primärgeneratorwicklungen und Erregerwicklungen mit einer Polanzahl entsprechend einem ungeradzahligen Vielfachen der Polanzahl der Primärgeneratorwicklungen, wobei die Primärgeneratorwicklungen erste, zweite und dritte T-Verbindungs-Einphasenwicklungen aufweisen, welche derart miteinander verbunden sind, daß ein Ende der ersten Einphasenwicklung mit jeweils einem Ende der zweiten und dritten Einphasenwicklungen verbunden ist, welche jeweils elektrisch orthogonal auf die erste Einphasenwicklung sind;
eine variable Drossel, deren Drosselerregungsstrom steuerbar ist und welche parallel gemeinsam mit Lasten an Ausgangsanschlüssen der Primärgeneratorwicklungen angeschlossen ist;
einen Rotor mit einem Rotorkern und einer Vielzahl von auf dem Rotorkern gewickelten Feldwicklungen, welche dieselbe Polanzahl wie jene der Primärgeneratorwicklungen aufweisen, wobei die Vielzahl von Feldwicklungen an Positionen angeordnet sind, in welchen sie magnetisch sowohl mit den durch die Erregerwicklungen erzeugten, statischen Magnetfeldern als auch räumlichen, höheren harmonischen Komponenten ungerader Ordnung von durch die Primärgeneratorwicklungen erzeugten Ankerrückwirkungs-Magnetfeldern gekoppelt sind; und
eine Vielzahl von Halbleiter-Gleichrichterelementen, welche jeweils in Serie zu der Vielzahl von Feldwicklungen geschaltet sind, zum Einweggleichrichten von jeweils in der Vielzahl von Feldwicklungen induzierten elektromotorischen Kräften, sodaß Gleichströme in der Vielzahl von Feldwicklungen fließen.
In größerem Detail ist die Vielzahl von Feldwicklungen auf den Rotorkern gewickelt, d.h. sequentiell in einer gegebenen Anzahl von Schlitzen gewickelt, welche in regelmäßigen Abständen in dem Rotorkern vorgesehen sind, sodaß die individuellen Feldwicklungen dieselbe Polteilung, d.h. 180º in dem elektrischen Winkel, wie jene der Primärgeneratorwicklungen aufweisen. Es soll festgehalten werden, daß die Anzahl der Windungen der ersten Einphasenwicklung unter den Primärgeneratorwicklungen das 31/2-Fache derjenigen der zweiten und dritten Einphasenwicklungen beträgt.
Nun wird der Betrieb des Generators gemaß dem obigen ersten Aspekt der Erfindung erläutert. Wenn der Rotor gedreht wird, werden geringe elektromotorische Kräfte in den Primärgeneratorwicklungen aufgrund des Restmagnetismus in dem Rotorkern erzeugt. Die induzierten elektromotorischen Kräfte beeinflussen die Primärmagnetfelder, welche durch die Feldwicklungen auf dem Rotor durch die folgenden zwei Funktionen erzeugt werden.
Eine Funktion ist wie folgt. Da die erste Einphasenwicklung unter den dreiphasigen Primärgeneratorwicklungen und die zweite und dritte Einphasenwicklung, welche jeweils elektrisch orthogonal auf die erste Einphasenwicklung stehen, T förmig verbunden bzw. ausgeschlossen sind, ist der durch die in den einzelnen Einphasenwicklungen erzeugte, magnetische Fluß von einer Rechteckform. Der magnetische Fluß der Rechteckwelle zeigt nach der Fourier-Transformation, daß er neben der Grundwelle derartige räumliche, höhere, harmonische Komponenten ungerader Ordnung, wie die räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten dritter und fünfter Ordnung, enthält. Da die Vielzahl von Feldwicklungen auf dem Rotor an den Positionen angeordnet sind, wo sie magnetisch mit den räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten ungerader Ordnung der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder, welche von den Primärgeneratorwicklungen erzeugt werden, magnetisch gekoppelt sind, sind die räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten ungerader Ordnung und die Vielzahl von Feldwicklungen auf dem Rotor magnetisch gekoppelt, sodaß elektromotorische Kräfte in den Feldwicklungen des Rotors induziert werden.
Die andere Funktion ist wie folgt. Die obigen induzierten elektromotorischen Kräfte werden durch Steuergleichrichtereinrichtungen gleichgerichtet, welche Einrichtungen von dem dreiphasigen Vollweggleichrichter und dem variablen Widerstand gebildet sind und welche zwischen den Primärgeneratorwicklungen und den Statorerregerwicklungen angeschlossen sind, und Gleichströme fließen in den Statorerregerwicklungen, wodurch ein statisches Magnetfeld gebildet wird (dieses statische Magnetfeld resultiert in einem Nebenschlußerregungseffekt). Da die Vielzahl von Feldwicklungen auf dem Rotor an Positionen angeordnet ist, an welchen sie magnetisch mit dem statischen Magnetfeld, welches durch die Statorerregerwicklungen erzeugt wird, gekoppelt ist, sind das statische Magnetfeld, welches durch die Erregerwicklungen erzeugt wird, und die Vielzahl von Feldwicklungen des - Rotors magnetisch gekoppelt, sodaß elektromotorische Kräfte in den Feldwicklungen des Rotors induziert werden.
Die überlappten Magnetfelder der obigen räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten ungerader Ordnung und das statische Magnetfeld bewirken die Induktion der elektromotorischen Kräfte in jeder der Vielzahl von Feldwicklungen des Rotors, welche magnetisch mit dem obigen statischen Magnetfeld und allen harmonischen Komponenten ungerader Ordnung gekoppelt sind. Die entsprechenden elektromotorischen Kräfte, welche in der Vielzahl von Feldwicklungen induziert werden, werden entsprechend durch die Halbleiter-Gleichrichterelemente, welche entsprechend mit den Feldwicklungen verbunden sind, einweggleichgerichtet und erhöhen den primären magnetischen Fluß des Rotorkerns entsprechend. Weiters erhöht die Erhöhung des primären magnetischen Flusses die obigen elektromotorischen Kräfte, welche in den Prirnärgeneratorwicklungen induziert werden, wodurch die in den Primärgeneratorwicklungen in dem nicht-belasteten Zustand erzeugte Spannung durch die Wiederholung der obigen Vorgänge seibstaufgebaut ist. Hier kann, da die in den Statorerregerwicklungen fließenden Gleichströme durch die Steuerung der obigen Steuergleichrichtereinrichtungen gesteuert werden können, die Spannung in dem nichtbelasteten Zustand auf jeden vorgegebenen Wert gesteuert werden. In dem Fall, in welchem kein Restmagnetisrnus in dem Rotorkern existiert, kann eine anfängliche Erregung durch den zeitweiligen Anschluß der Batterie an die Statorerregerwicklungen durchgeführt werden.
Wenn die dreiphasigen Widerstands- oder induktiven Lasten mit dem oben beschriebenen Generator verbunden werden, werden die Ausgangsspannungen im Hinblick auf den Anstieg in den dreiphasigen Lasten wie folgt kompensiert. Insbesondere steigen, da die Lastströme zu den dreiphasigen Lasten von den Primärgeneratorwicklungen strömen, die Ankerrückwirkungs-Magnetfelder, welche durch die Primärgeneratorwicklungen erzeugt werden, aufgrund der Arbeits- bzw. Lastströme. Daher steigen die räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten ungerader Ordnung der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder in Abhängigkeit von dem Anstieg in den Lastströmen und derart resultiert der Anstieg in den harmonischen Komponenten ungerader Ordnung in den Anstiegen in den entsprechenden elektromotorischen Kräften in der Vielzahl von Feldwicklungen, d.h. den Anstiegen in den einweggleichgerichteten Strömen darin. Der primäre magnetische Fluß in dem Rotorkern steigt an und die induzierten elektromotorischen Kräfte in den Primärgeneratorwicklungen steigen entsprechend an. Daraus resultierend wird der Spannungsabfall in den Primärgeneratorwicklungen, welcher durch den Anstieg in den Lastströmen bewirkt wird, durch den Anstieg in den induzierten elektromotorischen Kräfte kompensiert.
Da der oben beschriebene, dreiphasige, bürstenlose, selbsterregte Synchrongenerator eine Theorie annimmt, in welcher der primäre Fluß des Feldsystems in Abhängigkeit von den räum lichen, höheren, harmonischen Komponenten der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder, welche durch die Ströme der Primärgeneratorwicklungen erzeugt werden, ansteigt, ist die Selbsteinstellung der Ausgangsspannung in dem Fall erhaltbar, in welchem die Lasten mit den Primärgeneratorwicklungen und den darin strömenden Lastströrnen verbunden sind. Weiters ist in diesem Generator selbst in dem Fall, in welchem die Lasten dreiphasige, nicht-abgeglichene Lasten oder einphasige Lasten sind, da die räumliche, fundamentale Komponente der entgegengesetzten Phase der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder, welche neu durch die dreiphasigen, nicht-abgeglichenen Ströme in den Primärgeneratorwicklungen erzeugt werden, bewirkt, daß elektromotorische Kräfte in der Vielzahl von Feldwicklungen induziert werden, und in den Hauptstromerregungseffekten der Feldsysteme resultiert, der Abfall in den Hauptstromerregungseffekten der Feldsysteme, welcher durch den Abfall in den räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten der Ankerrückwirkungs-Feldsysteme bewirkt wird, welche durch die dreiphasigen, nicht-abgeglichenen Ströme bewirkt werden, kompensiert. Daher wird die Ausgangsspannung des Generators im wesentlichen konstant unabhängig von den Änderungen in den Lasten erhalten.
Da die erste bis dritte Einphasenwicklungen der Primärgeneratorwicklungen T-förmig verbunden sind, kann nicht nur der dreiphasige Ausgang von den drei Ausgangsanschlüssen der entsprechenden Einphasenwicklungen abgenommen werden, sondern es kann auch ein einphasiger Dreileitungsausgang von den Ausgangsanschlüssen der zweiten und dritten Einphasenwicklungen abgenommen werden. Das bedeutet, daß die Struktur der Primärgeneratorwicklungen zum Ausgeben des dreiphasigen Ausgangs auch einphasige 200 V und einphasige 100 V gleichzeitig ohne Änderung in der Struktur ausgeben kann. Im Gegensatz zu dem bekannten Generator besteht kein Erfordernis, jegliche zusätzliche Einrichtungen bei dem Generator vorzusehen oder einen zusätzlichen Abgriff auf den Primärgeneratorwicklungen vorzusehen.
Nachfolgend wird eine Erklärung des Betriebs des Generators gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung gegeben, worin die Drossel anstelle der Erregerwicklungen und der Steuergleichrichtereinrichtungen verwendet wird, welche in dem Generator gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung verwendet werden. Da die Funktion der T-Verbindung der Primärgeneratorwicklungen dieselbe ist wie in dem Generator gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wird die Beschreibung derselben hier nicht wiederholt. Hier ist die Beschreibung auf die Funktion der Drossel konzentriert.
In dem Generator gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung werden, wenn der Rotor gedreht wird, geringe elektromotorische Kräfte in den Primärgeneratorwicklungen aufgrund des Restmagnetismus, welcher in dem Rotorkern vorliegt, induziert. Die obigen induzierten elektromotorischen Kräfte bewirken das Fließen von Strömen in den Primärgeneratorwicklungen und auch in der Drossel, welche gemeinsam mit den Lasten parallel zu den Ausgangsanschlüssen der Primärgeneratorwicklungen angeschlossen ist. Ankerrückwirkungs-Magnetfelder werden durch die obigen Ströme erzeugt und eine elektromotorische Kraft wird in jeder der Vielzahl von Feldwicklungen des Rotors induziert, welche magnetisch mit allen der räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten ungerader Ordnung der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder gekoppelt sind. Die in der Vielzahl von Feldwicklungen induzierten, entsprechenden, elektromotorischen Kräfte werden durch die Halbleiter-Gleichrichterelemente einweggleichgerichtet, welche entsprechend in Serie mit den Feldwicklungen angeschlossen sind, und erhöhen der primären magnetischen Fluß in dem Rotorkern. Weiters führt dieser Anstieg in dem primären magnetischen Fluß zu den Anstiegen in den obigen elektromotorischen Kräften in den Primärgeneratorwicklungen und durch die Wiederholungen dieses Vorgangs ist die Ausgangsspannung in dem nicht-belasteten Zustand selbsterhaltend. Hier kann in dem Fall, in welchem eine variable Drossel als die Drossel eingesetzt wird, die Ausgangsspannung in dem nicht-belasteten Zustand frei durch die Steuerung des in der variablen Drossel fließenden Stroms eingestellt werden.
Wenn dreiphasige Widerstandslasten, induktive Lasten oder kapazitive Lasten mit dem obigen Generator verbunden werden, werden die Ausgangsspannungen des Generators in bezug auf die Änderungen in den Leistungsfaktoren der dreiphasigen Lasten wie folgt kompensiert.
Da insbesondere die Lastströme auch in den Primärgenerator wicklungen aufgrund des Anschlusses der dreiphasigen Lasten fließen, fließen in den Primärgeneratorwicklungen Vektorsummenströme der Lastströme und der in der Drossel fließenden Ströme. Daher steigen aufgrund der Effekte der Drossel die Ströme, welche in den Primärgeneratorwicklungen fließen sollen, an, selbst wenn die Lastströme konstant sind, da der Nacheilungsgrad des Leistungsfaktors der Lasten ansteigt, während dieselben Ströme absinken, wenn der Voreilungsgrad des Leistungsfaktors der Lasten ansteigt. D.h. es steigen in diesem Generator mit dem Fortschreiten des Nacheilungsgrads des Leistungsfaktors der Lasten die Ströme in den Primärgeneratorwicklungen und es steigen die räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder, sodaß die Hauptstromerregungseffekte des Feldsystems ansteigen und ein Absinken der Ausgangsspannung verhindert wird. Andererseits sinken mit dem Fortschreiten des Voreilungsgrads des Leistungsfaktors der Lasten die Ströme in den Primärgeneratorwicklungen und es sinken die räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder, sodaß die Hauptstromerregungseffekte der Feldsysteme absinken und das Ansteigen der Ausgangsspannung, welches durch die Selbsterregungsphänomene durch die phasenvoreilenden Ströme bewirkt wird, verhindert wird. Auf diese Weise hat der Generator, wobei die Lasten und die Drossel parallel an den Ausgangsanschlüssen der Primärgeneratorwicklungen angeschlossen sind, in sich eine automatische Spannungssteuerungsfunktion, welche fähig ist, geeignet auf Änderungen in dem Leistungsfaktor der Lasten zu antworten. Weiters arbeitet in dem Fall, in welchem die dreiphasigen, nicht-abgeglichenen Lasten oder die einphasigen Lasten an den Generator angeschlossen sind, der Generator auf dieselbe Weise wie in dem Fall, in welchem die dreiphasigen, abgeglichenen Lasten angeschlossen sind, mit der Ausnahme, daß die räumliche Grundkomponente der entgegengesetzten Phase der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder zu den Hauptstromerregungseffekten der Feldsysteme hinzutritt.
Wie zuvor erläutert, erfordert der dreiphasige, bürstenlose, selbsterregte Synchrongenerator gemäß der vorliegenden Erfindung keine Rotorerregerwicklungen, welche andernfalls in dem Stand der Technik erforderlich sind, und weist einen einfach strukturierten Rotor auf, welcher durch Feldwicklungen und Halbleiter-Gleichrichterelemente gebildet ist. Weiters werden gemäß der vorliegenden Erfindung die magnetischen Vibrationen und das Rauschen, welche durch die Kombinationen der; Anzahl von Schlitzen in dem Statorkern und denjenigen in dem Rotorkern bewirkt werden und welche Probleme in dem Stand der Technik darstellten, wirkungsvoll an einem Auftreten gehindert, da die Kombinationen der Anzahl von Schlitzen nicht durch die Anzahl der Pole begrenzt sind.
Da die ersten bis dritten Einphasenwicklungen der Primärgeneratorwicklungen T-förmig angeschlossen sind, ist die räumliche, höhere, harmonische Komponente dritter Ordnung, welcher in dem konventionellen, dreiphasigen Synchrongenerator ausgelöscht war, in den Ankerrückwirkungs-Magnetfelder beinhaltet. Daraus resultierend können große elektromotorische Kräfte in den Feldwicklungen des Rotors durch ein wirksames Ausnutzen der räumlichen, höheren, harmonischen Komponente dritter Ordnung erzeugt werden, welche der maximale Term in den Ankerrückwirkungs-Magnetfeldern ist. Weiters kann aufgrund der T-Verbindung der drei Einphasenwicklungen der Primärgeneratorwicklungen nicht nur der dreiphasige Ausgang, sondern auch der einphasige Dreileitungsausgang von den speziellen Ausgangsanschlüssen der Einphasenwicklungen ohne eine zusätzliche, zu dem Generator hinzuzufügende Vorrichtung abgenommen werden. Da weiters keine Rotorerregerwicklungen auf dem Rotor erforderlich sind, wird die durch eine Widerstandskomponente R und eine induktive Komponente L definierte Zeitkonstante klein, sodaß die Antwortgeschwindigkeit in der Steuerung der Ausgangsspannung schnell ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die obigen und andere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich werden, welche unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen erläutert werden, in welchen:
Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm ist, welches ein Beispiel eines konventionellen, selbsterregten Synchrongenerators zeigt;
Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm ist, welches einen dreiphasigen, bürstenlosen, selbsterregten Synchrongenerator einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 3 ein Diagramm ist, welches Stromwellenformen zeigt, welche in den Primärgeneratorwicklungen fließen;
Fig. 4 ein Diagramm ist, welches den relativen Zusammenhang der Statorwicklungen zeigt;
Fig. 5 ein Diagramm ist, welches die magnetische Flußverteilung an der Statorseite zeigt;
Fig. 6 ein Diagramm ist, welches einen Zustand zeigt, in welchem die räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten und die Feldwicklungen magnetisch gekoppelt sind;
Fig. 7 ein Diagramm zur Erläuterung der Primärgeneratorwicklungen ist; und
Fig. 8 ein Schaltungsdiagramm ist, welches einen dreiphasigen, bürstenlosen, selbsterregten Synchrongenerator einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Es wird nun nachfolgend ein dreiphasiger, bürstenloser, selbsterregter Synchrongenerator einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 6 beschrieben. Fig. 2 zeigt ein Schaltungsdiagramm des Generators einer ersten Ausführungsform gemaß der Erfindung, Fig. 3 zeigt Stromwellenformen, welche in jeder der Wicklungen der dreiphasigen Primärgeneratorwicklungen strömen, Fig. 4 zeigt elektrische relative Zusammenhänge der Statorwicklungen, Fig. 5 zeigt eine magnetische Flußverteilung an der Statorseite des Generators der ersten Ausführungsform und Fig. 6 zeigt einen Zustand, in welchem die räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten und die Feldwicklungen magnetisch miteinander gekoppelt sind.
Zuerst wird die Schaltungsstruktur des Stators 2 unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 4 erläutert. An den Schlitzen (in den Zeichnungen nicht dargestellt) des Statorkerns 3 sind erste bis dritte Einphasenwicklungen WU, WV und WW gewickelt. Es sollte festgestellt werden, daß die zweite und dritte Einphasenwicklungen WV und WW an dem Statorkern 3 an den Positionen gewickelt sind, an welchen sie elektrisch orthogonal (900 in dem elektrischen Winkel) zu der Position sind, in welcher die erste Einphasenwicklung WU gewickelt ist. Die Windungsanzahl der zweiten Einphasenwicklung WV ist dieselbe wie diejenige der dritten Einphasenwicklung WW. Es sollte festgestellt werden, daß die Windungsanzahl der ersten Einphasenwicklung WU das 31/2-Fache derjenigen der zweiten Einphasenwicklung WV und der dritten Einphasenwicklung WW ist. Ein Endanschluß A' der ersten Einphasenwicklung WU, der Windungsendanschluß B' der zweiten Einphasenwicklung WV und der Windungsstartanschluß C' der dritten Einphasenwicklung WW sind miteinander an dem Verbindungspunkt 0 verbunden, wodurch T-Verbindungs-Primärgeneratorwicklungen ausgebildet werden.
In der obigen T-Verbindung bilden der andere Endanschluß A der ersten Einphasenwicklung WU, der Windungsstartanschluß B der zweiten Einphasenwicklung WV und der Windungsendanschluß C der dritten Einphasenwicklung WW dreiphasige Ausgangsanschlüsse U, V, W. Weiters bilden der windungsstartanschluß B der zweiten Wicklung WV, der Windungsendanschluß C der dritten Wicklung WW und der obige Verbindungspunkt 0 die einphasigen Ausgangsanschlüsse B, O und C, von welchen beispielsweise einphasige Dreileitungs-100/200-Volt-Ausgänge abgenommen werden können.
Die Statorerregerwicklungen We sind mit zentralen Abgriffen u, v, w der dreiphasigen Primärgeneratorwicklungen WU, WV, WW durch die Steuergleichrichtereinrichtungen 5 verbunden. Die Steuergleichrichtereinrichtungen 5 sind von Dreiphasen-Vollweggleichrichter-Dioden RD und dem variablen Widerstand Rr gebildet. Die Steuergleichrichtereinrichtungen 5 sind außerhalb des Generators angeordnet. In dem Fall, in welchem die Dreiphasen-Vollweggleichrichtereinrichtungen durch steuerbare Halbleitervorrichtungen, wie beispielsweise Thyristoren, gebildet sind, kann auf den variablen Widerstand Rr verzichtet werden.
Als nächstes wird die Struktur des Rotors 6 unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 5 erklärt. Eine Vielzahl von Feldwicklungen Wf sind auf den Rotorkern 7 gewickelt. Jede der Feldwicklungen Wf ist so an den Schlitzen angeordnet, daß sie magnetisch sowohl mit den räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten ungerader Ordnung der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder, basierend auf den Strömen I&sub1;, I&sub2;, I&sub3;, welche in den dreiphasigen Primärgeneratorwicklungen fließen, als auch der räumlichen Grundkomponente des statischen Magnetfeldes, basierend auf dem Strom Ie in den Statorerregerwicklungen We, gekoppelt ist. Die Vielzahl der Feldwicklungen Wf sind jeweils durch die Dioden D kurzgeschlossen. Genauer ist die Vielzahl von Feldwicklungen Wf des Rotors 6 an dem Rotorkern 7 gewickelt, d.h. sequentiell in einer vorgegebenen Anzahl von Schlitzen gewickelt, welche in dem Rotorkern 7 vorgesehen sind, sodaß die individuellen Feldwicklungen Wf dieselbe Polteilung, d.h. 180º in dem elektrischen Winkel, wie diejenige der Primärgeneratorwicklungen aufweisen, wodurch die Feldwicklungen Wf magnetisch mit dem statischen Magnetfeld gekoppelt sind, welches durch die Statorerregerwicklungen We erzeugt wird.
In dem Generator, welcher die obige Struktur aufweist, werden, wenn der Rotor 6 rotiert wird, auf welchem die Vielzahl von Feldwicklungen Wf gewickelt ist, die elektromotorischen Kräfte geringfügig in den Primärwicklungen WU, WV, WW aufgrund des Restmagnetismus in dem Rotorkern 7 induziert. Die derart induzierten elektromotorischen Kräfte beeinflussen die Feldwicklungen Wf durch die folgenden zwei Funktionen. Eine Funktion ist wie folgt. Da die dreiphasigen Primärgeneratorwicklungen derart ausgebildet sind, daß die drei Einphasenwicklungen WU, WV, WW in einer T-Form verbunden bzw. angeschlossen sind, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, ist, wenn der Strom I&sub1; das Maximum zur Zeit Q beträgt, der Strom 12 derselbe wie der Strom I3 (I&sub2; = I&sub3;). Unter den magnetischen Flüssen ΦA, ΦB, ΦC, welche jeweils durch die in den Einphasenwicklungen fließenden Strömen produziert werden, ist ΦB von derselben Größe und in der entgegengesetzten Richtung wie ΦC, sodaß sie einander auslöschen, da die zweite und dritte Einphasenwicklungen WV, WW miteinander in Serie verbunden sind. Daraus resultierend existiert nur der magnetische Fluß ΦA, welcher durch die erste Einphasenwicklung WU erzeugt wird, welche elektrisch orthogonal sowohl auf die zweite als auch auf die dritte Einphasenwicklung WV, WW ist. Die räumliche, magnetische Flußverteilung durch den magnetischen Fluß ΦA, welcher um den Statorkern 4 durch die erste Einphasenwicklung WU erzeugt wird, kann in Fig. 5 für den Fall gesehen werden, in welchem die Primärgeneratorwicklungen vom konzentrierten Wicklungstyp bzw. Einlochwicklungstyp sind. Die vorliegende Erfindung ist auch auf den Fall anwendbar, in welchem die Primärgeneratorwicklungen von dem verteilten Wick lungstyp sind. In diesem Fall nimmt jedoch die räumliche, magnetische Flußverteilung eine Stufenform ein.
Die folgende Gleichung (1) wird durch Fourier-Transformation der in Fig. 5 gezeigten Rechteckwelle erhalten.
Wie dies in der Gleichung gezeigt ist, sind andere als die Grundwelle im ersten Term, wie räumliche, höhere, harmonische Komponenten ungerader Ordnung, wie die räumliche, höhere, harmonische Komponente dritter Ordnung und die räumliche, höhere, harmonische Komponente fünfter Ordnung, enthalten. Die Spannung, welche auf den räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten ungerader Ordnung basiert, welche in den Feldwicklungen P, P' des Rotors induziert werden, welche an der Position angeordnet sind, in welcher diese magnetisch mit den räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten gekoppelt sind, d.h. welche eine Polteilung von 1800 in dem elektrischen Winkel aufweisen, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, wird in der folgenden Gleichung (2) angegeben.
Unter der Annahme, daß die induzierte Spannung in dem P-Leiter Esin(2n+1)θ ist, ist die induzierte Spannung in dem P'- Leiter gegeben als:
Esin(2n+1)(θ+π)
Daher
worin E=Emcosωt (wobei Em eine Konstante gemäß der Struktur und den Materialien ist).
Wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, sind die induzierten Spannungen in den Feldwicklungen P, P' in dem Fall, in welchem diese an dem Rotor 6 als die Feldwicklungen Wf gewickelt sind und welche durch das Gleichrichterelement (Diode) D kurzgeschlossen sind, durch die Diode D gleichgerichtet und der gleichgerichtete Strom fließt in den Feldwicklungen Wf. Die Gleichstromkomponenten bilden die magnetischen Pole in dem Rotor und vergrößern die Primärmagnetfelder auf dem Rotor. Daraus resultierend werden die in den Primärgeneratorwicklungen WU, WV, WW induzierten Spannungen vergrößert. Obwohl die obige Erklärung für den Zeitpunkt gemacht wurde, in welchem der Strom I&sub1; maximal ist, kann der Betrieb zu anderen Zeitpunkten leicht verstanden werden.
Die andere Funktion ist wie folgt. In den Statorerregerwicklungen We fließen Gleichströme Ie, welche durch ein Vollweggleichrichten der geringen, induzierten elektromotorischen Kräfte in den Primärgeneratorwicklungen WU, WV, WW durch den Dreiphasen-Vollweggleichrichter RD der Steuergleichrichtereinrichtungen 5 erhalten werden, welche zwischen den zentralen Abgriffen u, v, w der Primärgeneratorwicklungen WU, WV, WW und den Statorerregerwicklungen We angeschlossen sind, wodurch das statische Magnetfeld durch die Statorerregerwicklungen We erzeugt wird. Dieses Magnetfeld bewirkt, daß die überlappten elektromotorischen Kräfte in jeder der Feldwicklungen Wf induziert werden. Die derart induzierten elektromotorischen Kräfte werden entsprechend durch die Seriendioden D einweggleichgerichtet, sodaß der primäre magnetische Fluß des Rotors 6 vergrößert wird und die in den Primärgeneratorwicklungen WUI WV, WW induzierten elektromotorischen Kräfte entsprechend vergrößert werden.
Durch die Wiederholung der obigen Vorgänge wird die Generatorspannung durch die Primärgeneratorwicklungen WU, WV, WW aufgebaut. Hier werden die Ströme Ie, welche in den Statorerregerwicklungen We fließen, durch die Einstellung des variablen Widerstands Rf in dem Vollweggleichrichter RD gesteuert, sodaß die Spannung des Generators 1 in dem nicht-belasteten Zustand frei gesteuert werden kann.
In dem Fall, in welchem kein Restmagnetismus in dem Rotor 6 existiert, kann die Batterie (nicht dargestellt) temporär an die Statorerregerwicklungen We des Stators angeschlossen werden, sodaß eine elektromotorische Kraft in den Feldwicklungen Wf des Rotors 6 induziert wird. Ein einweggleichgerichteter Strom, basierend auf dieser elektromotorischen Kraft, bewirkt, daß das primäre Magnetfeld in dem Rotor 6 induziert wird.
Danach ist, wenn die dreiphasigen Widerstände oder induktive Lasten mit diesem Generator 1 verbunden werden, der Betrieb desselben wie folgt. Wenn die dreiphasigen Widerstände oder induktiven Lasten mit dem Generator 1 verbunden werden, fließen die Lastströme I&sub1;, I&sub2;, I&sub3; aus den Primärgeneratorwicklungen WU, WV, WW und aufgrund dieser Lastströme I&sub1;, I&sub2;, I&sub3; steigen die Ankerrückwirkungs-Magnetfelder, welche durch die Primärgeneratorwicklungen WU, WV, WW erzeugt werden, an. Daher steigen auch die räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder an, die entsprechenden elektromotorischen Kräfte, welche in der Vielzahl von Feldwicklungen Wf induziert werden, welche individuell an den Positionen gewickelt sind, an welchen sie mit den obigen räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten magnetisch gekoppelt sind, steigen an und derart steigen die in den entsprechenden Feldwicklungen fließenden Feldströme If an. Daraus resultierend steigen die in den Primärgeneratorwicklungen induzierten elektromotorischen Kräfte an, sodaß die Variationen in den Ausgangsspannungen gegenüber dem Anstieg in dem Nenn-Kurzschlußspannungsabfall kompensiert werden. Insbesondere resultiert in dem Generator gemäß der Erfindung der Anstieg und der Abfall in den Lastströmen I&sub1;, I&sub2;, I&sub3; in Übereinstimmung mit dem Anstieg und dem Abfall in den Lasten in dem Anstieg und dem Abfall in dem Feldstrom If des Rotors und als ein Resultat steigen oder sinken die in den Primärgeneratorwicklungen WU, WV, WW induzierten elektromotorischen Kräfte, wodurch der Anstieg oder das Absinken in dem Nenn- Kurzschlußspannungabfall in den Primärgeneratorwicklungen kompensiert wird. Daher erzeugt der Generator 1 eine im wesentlichen konstante Ausgangs spannung (flachkompoundierte Charakteristika) unabhängig von dem Anstieg oder dem Absinken in den Lasten.
Darüberhinaus bewirkt in dem Generator gemäß der Erfindung, selbst wenn dreiphasige, nicht-abgeglichene Lasten oder einphasige Lasten daran angeschlossen werden, die räumliche Grundkomponente der entgegengesetzten Phase der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder, welche neu durch die dreiphasigen, nicht-abgeglichenen Ströme in den Primärgeneratorwicklungen erzeugt werden, eine in jeder der Vielzahl von Feldwicklungen zu induzierende elektromotorischen Kraft, sodaß die Hauptstromerregungseffekte der Feldsysteme erhalten werden. Daher wird das Absinken in den Hauptstromerregungseffekten der Feldsysteme, basierend auf dem Absinken in den räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder, welche durch die dreiphasigen, nicht-abgeglichenen Ströme bewirkt werden, kompensiert, wodurch die Ausgangsspannung des Generators gegen die Änderungen in den Lasten kompensiert wird.
Ein automatischer Spannungsregler (AVR) kann an die Statorerregerwicklungen We in dem Fall angeschlossen werden, in welchem die Erregung nicht ausreichend ist. Weiters können Techniken gemäß dem Stand der Technik für eine Gleichstromerregung des Stators auf den Generator der vorliegenden Erfindung angewandt werden.
In dem Generator gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Primärgeneratorwicklungen WU, WV, WW in einer T-Form angeschlossen und die Anzahl der Windungen der ersten Einphasen wicklung der Primärgeneratorwicklungen WU, WV, WW ist das 31/2-Fache derjenigen der zweiten und dritten Einphasenwicklungen, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist. Wenn die Spannung unter den Ausgangsanschlüssen A, B, C V Volt beträgt, so beträgt die Spannung zwischen dem Anschluß A und dem Verbindungspunkt O 31/2V Volt und die Spannung zwischen dem Anschluß B und dem Punkt O bzw. die Spannung zwischen dem Anschluß C und dem Punkt O ist jeweils 1/2V Volt. Da das Verhältnis zwischen 31/2/2V und 1/2V 31/2 ist, wird, wenn die Windungsanzahl der Windungen zwischen den Anschlüssen B und und diejenige zwischen den Anschlüssen C und O N ist, die Windungsanzahl der Windungen zwischen den Anschlüssen A und 31/2. Daraus resultierend kann, wenn die Windungsanzahl der Windungen zwischen den Anschlüssen A und O das 31/2-Fache derjenigen der Windungen zwischen den Anschlüssen B und oder den Anschlüssen C und O ist, die dreiphasige, ausgeglichene Ausgangsspannung V von den Ausgangsanschlüssen A, B, und C erhalten werden. Zur selben Zeit kann der einphasige Dreileitungsausgang von den Anschlüssen B, O und C erhalten werden, da die Spannung zwischen den Anschlüssen B und O oder den Anschlüssen C und O 1/2V Volt beträgt und die Spannung zwischen den Anschlüssen B und C V Volt beträgt.
Als nächstes wird die zweite Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 8 erläutert. Fig. 8 zeigt das Schaltungsdiagramm des dreiphasigen, bürstenlosen, selbsterregten Synchrongenerators. Da der Rotor in dieser Ausführungsforrn derselbe ist wie der Rotor 6 in der ersten, oben beschriebenen Ausführungsform, werden die Darstellung desselben in Fig. 8 und eine Erläuterung hier ausgelassen. An den Schlitzen des Statorkerns sind erste bis dritte Einphasenwicklungen WU, WV, WW gewickelt. Die zweite und dritte Einphasenwicklungen WV, WW sind an dem Statorkern 3 an den Positionen gewickelt, an welchen sie elektrisch orthogonal (90º im elektrischen Winkel) zu der Position sind, in welcher die erste Einphasenwicklung WU gewickelt ist. Die Windungsanzahl der zweiten Einphasenwicklung WV ist dieselbe wie diejenige der dritten Einphasenwicklung WW. Die Windungsanzahl der ersten Einphasenwicklung WU ist das 31/2-Fache derjenigen der zweiten Einphasenwicklung WV oder der dritten Einphasenwicklung WW. Ein Endanschluß A' der ersten Einphasenwicklung WU, der Windungsendanschluß B' der zweiten Einphasenwicklung WV und der Windungsstartanschluß C' der dritten Einphasenwicklung WW sind miteinander an dem Verbindungspunkt O verbunden, wodurch sie T-Verbindungs-Primärgenerator wicklungen ausbilden. In dieser Ausführungsform ist an den dreiphasigen Ausgangsanschlüssen U, V und W eine Drossel 13 parallel gemeinsam mit Lasten angeschlossen.
In dem die obige Struktur aufweisenden Generator werden, wenn der Rotor 6, an welchem eine Vielzahl von Feldwicklungen Wf gewickelt ist, rotiert wird, die elektromotorischen Kräfte geringfügig in den Primärgeneratorwicklungen WU, WV, WW aufgrund des Restmagnetismus in dem Rotorkern 7 induziert. Die derart induzierten elektromotorischen Kräfte beeinflussen die Feldwicklungen Wf durch die zwei Funktionen. Eine dieser zwei Funktionen, welche auf der T-Verbindung der dreiphasigen Primärgeneratorwicklungen basiert, ist dieselbe, wie sie in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, wobei die Beschreibung derselben hier nicht wiederholt wird.
Die andere Funktion der zwei Funktionen ist wie folgt. Drosselströrne IL1 IL2 und IL3 fließen in den Primärgeneratorwicklungen und der variablen Drossel 13. Ein Ankerrückwirkungs-Magnetfeld wird erzeugt, basierend auf den in den Primärgeneratorwicklungen WU, WV und WW fließenden Strömen. Eine elektromotorische Kraft wird in jeder der Vielzahl von Feldwicklungen Wf des Rotors 6 induziert, welche magnetisch mit den räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten ungerader Ordnung des obigen Ankerrückwirkungs-Magnetfeldes gekoppelt sind. Die derart in den Feldwicklungen des Rotors induzierten elektrornotorischen Kräfte werden jeweils durch die Dioden D, welche jeweils in Serie mit den Feldwicklungen angeschlossen sind, einweggleichgerichtet, sodaß sie die primären Magnetfelder des Rotors 6 erhöhen, wodurch die in den Primärgeneratorwicklungen WU, WV und WW induzierten elektromotorischen Kräfte erhöht werden. Durch die Wiederholung der obigen vorgänge wird die erzeugte Ausgangsspannung der Primärgeneratorwicklungen WU, WV und WW aufgebaut. Hier kann durch Einstellen der variablen Drossel 13, um die Drosselströme IL1, IL2 und IL3 zu steuern, die Ausgangsspannung des Generators 9 in dem nicht-belasteten Zustand frei gesteuert werden.
In dem Fall, in welchem kein Restmagnetismus in dem Rotor 6 existiert, kann die Batterie zeitweilig mit den Primärgeneratorwicklungen verbunden werden, sodaß eine elektromotorische Kraft in den Feldwicklungen des Rotors induziert wird. Ein einweggleichgerichteter Strom, basierend auf dieser elektromagnetischen Kraft, bewirkt, daß das primäre Magnetfeld leicht in dem Rotor induziert wird.
Danach ist, wenn dreiphasige, induktive oder kapazitive Lasten an diesen Generator 9 angeschlossen werden, der Betrieb desselben wie folgt. Wenn die dreiphasigen Lasten an den Generator 9 angeschlossen werden, fließen Vektorsummenströme IX1, IX2 IX3 der Lastströme I&sub1;, I&sub2;, I&sub3; und der Drosselströme IL1, IL2 und IL3 in den Primärgeneratorwicklungen WU, WV, WW. Daher steigen aufgrund der Effekte der Drossel 13, selbst wenn die Größen der Lastströme I2, I2, I3 konstant sind, die Größen der in den Primärgeneratorwicklungen WU, WV, WW fließenden Ströme an, wenn der Nacheilungsgrad des Leistungsfaktors der Lasten ansteigt, während die Größen derselben absinken, wenn der Voreilungsgrad des Leistungsfaktors der Lasten ansteigt. Das Ansteigen und Absinken der Vektorsummenströme resultiert in dem Ansteigen und Absinken der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder, welche durch die Primärgeneratorwicklungen WU, WV, WW erzeugt werden. Daher steigen oder sinken die räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten der Ankerrückwirkungs -Magnet felder, die elektromotorischen Kräfte, welche jeweils in der Vielzahl von Feldwicklungen Wf induziert werden, welche individuell an den Positionen gewickelt sind, in welchen sie magnetisch mit den räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten gekoppelt sind, steigen an oder fallen ab und derart steigen die einweggleichgerichteten Ströme If in den Feldwicklungen an oder fallen ab. Daraus resultierend steigen die induzierten elektromotorischen Kräfte in den Primärgeneratorwicklungen an oder fallen ab. Auf diese Weise steigen in dem Generator 9 der zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung, wenn der Nacheilungsgrad des Leistungsfaktors der Lasten ansteigt, die Hauptstromerregungseffekte der Feldwicklungen an, sodaß die Ausgangsspannung an einem Absinken gehindert wird. Andererseits sinken, wenn der Voreilungsgrad des Leistungsfaktors der Last ansteigt, die Hauptstromerregungseffekte der Feldwicklungen, sodaß ein Anstieg der Ausgangsspannung basierend auf dem Selbsterregungsphänomen durch die phasenvoreilenden Ströme an einem Auftreten gehindert wird. Insbesondere hat dieser Generator 9 eine automatische Spannungsregulierung (AVR)-Funktion in sich selbst, welche fähig ist, geeignet auf Änderungen in den Lastleistungsfaktoren zu antworten.
Wenn eine Vielzahl von Feldwicklungen, welche dieselbe Anzahl von Polen wie diejenigen der Statorprimärwicklungen aufweist, an dem Rotorkern des Generators in der ersten oder zweiten Ausführungsform gewickelt werden soll, kann die Vielzahl von Feldwicklungen an dem Rotorkern so angeordnet werden, daß sie magnetisch mit den räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten ungerader Ordnung gekoppelt sind.
Weiters wird in dem Generator gemäß dieser Ausführungsform, selbst wenn dreiphasige, nicht-abgeglichene oder einphasige Lasten daran angeschlossen sind, da die räumliche, fundamentale Komponente einer entgegengesetzten Phase der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder, welche neu durch die dreiphasigen, nicht-abgeglichenen Ströme, welche in den Primärgeneratorwicklungen fließen, erzeugt wird, bewirkt, daß eine elektromotorische Kraft, welche in jeder der Vielzahl von Feldwicklungen induziert wird, und in den Hauptstromerregungseffekten des Feldsystems resultiert, der Abfall in den Hauptstromerregungseffekten des Feldsystems, welcher durch den Abfall in den räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder durch die dreiphasigen, nichtabgeglichenen Ströme bewirkt wird, kompensiert. Demgemäß wird die Ausgangsspannung des Generators gegenüber den Variationen in den Lasten durch die Steuerung der Erregerströme konstant gehalten. In dieser Ausführungsform wird die räumliche, höhere, harmonische Komponente dritter Ordnung, welche der maximale Term der räumlichen, höheren, harmonischen Komponenten ist, wirkungsvoll genutzt, sodaß die notwendige Menge an einer Steuerung des Erregerstroms gering ist.
Wie dies hier oben beschrieben wurde, werden in dem bürstenlosen Synchrongenerator gemäß der Erfindung Rotorerregerwicklungen unnotwendig, welche in den konventionellen Generatoren unverzichtbar waren. Daraus resultierend kann der Rotor auf einfache und starre Weise durch die Rotorfeldwicklungen und die Halbleiter-Gleichrichtereinrichtungen konstruiert werden. Da keine Begrenzung in der Anzahl von Schlitzen in dem Rotor besteht, werden weiters magnetische Vibrationen und Rauschen, welche durch die Kombinationen der Anzahl von Schlitzen in dem Stator- und den Rotorkernen bewirkt werden, effizient unterdrückt. Die Zeitkonstante der Rotorschaltung wird klein aufgrund der Eliminierung der Rotorerregerwicklungen, sodaß die Ansprechgeschwindigkeit der Steuerung der Ausgangsspannung schnell wird.
Da weiters der Rotor so konstruiert ist, daß er magnetisch mit allen harmonischen Komponenten ungerader Ordnung der Ankerrückwirkungs-Magnetfelder und der statischen Magnetfelder gekoppelt ist, können in jedem Fall, in welchem dreiphasige, abgeglichene Lasten, dreiphasige, nicht-abgeglichene Lasten oder einphasige Lasten an den Generator angeschlossen werden, die Hauptstrornerregungseffekte weiter verstärkt werden, wodurch die Ausgangsspannung des Generators wirkungsvoller gegenüber den Variationen in den Lasten kompensiert werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können mit der einfachen Struktur, d.h. durch das Vorsehen der T-Verbindungs-Primärgeneratorwicklungen, nicht nur dreiphasige Ausgänge, sondern auch einphasige Dreileitungsausgänge gleichzeitig von demselben Generator abgegriffen werden.
Wie oben erklärt, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein dreiphasiger, bürstenloser, selbsterregter Synchrongenerator zur Verfügung gestellt, welcher einen großen, vorteilhaften Effekt erzielen läßt.
Modifikationen innerhalb des Rahmens der beigeschlossenen Ansprüche sind möglich.

Claims

1. Dreiphasiger, selbsterregter Synchrongenerator, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:

einen Stator (2) mit einem Statorkern (3), Primärgeneratorwicklungen (WU, WV, WW) und Erregerwicklungen (We) mit einer Polanzahl entsprechend einem ungeradzahligen Vielfachen der Polanzahl der Primärgeneratorwicklungen, wobei die Primärgeneratorwicklungen erste, zweite und dritte T- Verbindungs-Einphasenwicklungen (WU, WV, WW) aufweisen, welche derart miteinander verbunden sind, daß ein Ende der ersten Einphasenwicklung (WU) mit jeweils einem Ende der zweiten und dritten Einphasenwicklungen (WV, WW) verbunden ist, welche jeweils elektrisch orthogonal auf die erste Einphasenwicklung sind;

einen Rotor (6) mit einem Rotorkern (7) und einer Vielzahl von auf dem Rotorkern gewickelten Feldwicklungen (Wf), welche dieselbe Polanzahl wie jene der Primärgeneratorwicklungen (WU, WV, WW) aufweisen, wobei die Vielzahl von Feldwicklungen an Positionen angeordnet sind, in welchen sie magnetisch sowohl mit den durch die Erregerwicklungen (We) erzeugten, statischen Magnetfeldern als auch räumlichen, höheren harmonischen Komponenten ungerader Ordnung von durch die Primärgeneratorwicklungen (WU, WV, WW) erzeugten Ankerrückwirkungs-Magnetfeldern gekoppelt sind;

eine zwischen den Primärgeneratorenwicklungen und den Erregerwicklungen angeschlossene Steuergleichrichtereinrichtung (5) zum Vollweggleichrichten bzw. Vollwellengleichrichten von in den Primärgeneratorwicklungen induzierten elektromotorischen Kräften, so daß Gleichströme in den Erregerwicklungen fließen; und

eine Vielzahl von Halbleiter-Gleichrichterelementen (D), welche jeweils in Serie zu der Vielzahl von Feldwicklungen (Wf) geschaltet sind, zum Einweggleichrichten bzw. Halbwellengleichrichten von jeweils in der Vielzahl von Feldwicklungen induzierten elektromotorischen Kräften, so daß Gleichströme in der Vielzahl von Feldwicklungen fließen.

2. Dreiphasiger, bürstenloser, selbsterregeter Synchrongenerator nach Anspruch 1, worin die Steuergleichrichtereinrichtung (5) einen dreiphasigen Vollweggleichrichter (RD) und einen variablen Widerstand (Rr) umfaßt.

3. Dreiphasiger, bürstenloser, selbsterregeter Synchrongenerator nach Anspruch 1, worin die Steuergleichrichtereinrichtung (5) einen von einem steuerbaren Halbleiter- Gleichrichterelement gebildeten, dreiphasigen Vollweggleichrichter aufweist.

4. Dreiphasiger, bürstenloser, selbsterregeter Synchrongenerator nach Anspruch 1, worin jede der Vielzahl voh Feldwicklungen (Wf) sequentiell mit einem elektrischen Winkel von 180º entsprechend einer Polteilung der Primägeneratorwicklungen auf einer vorgegebenen Anzahl von in dem Rotorkern (7) in regelmäßigen Abständen vorgesehenen Schlitzen vorgesehen ist.

5. Dreiphasiger, bürstenloser, seibsterregeter Synchrongenerator nach Anspruch 1, worin die windungsanzahl der ersten Einphasenwicklung (WU) das 30,5-fache derjenigen von jeweils der zweiten Einphasenwicklung (WV) und der dritten Einphasenwicklung (WW) ist.

6. Dreiphasiger, selbsterregter Synchrongenerator, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:

eine Drossel (13), welche parallel gemeinsam mit Lasten an Ausgangsanschlüssen (U, V, W) der Primärgeneratorwick lungen (WU, WV, WW) angeschlossen ist;

einen Rotor (6) mit einem Rotorkern (7) und einer Vielzahl von auf dem Rotorkern gewickelten Feldwicklungen (Wf), welche dieselbe Polanzahl wie jene der Primärgeneratorwicklungen (WU, WV, WW) aufweisen, wobei die Vielzahl von Feldwicklungen an Positionen angeordnet ist, in welchen sie magnetisch sowohl mit den durch die Erregerwicklungen (We) erzeugten, statischen Magnetfeldern als auch räumlichen, höheren harmonischen Komponenten ungerader Ordnung von durch die Primärgeneratorwicklungen (WU, WV, WW) erzeugten Ankerrückwirkungs-Magnetfeldern gekoppelt sind; und

eine Vielzahl von Halbleiter-Gleichrichterelementen (D), welche jeweils in Serie zu der Vielzahl von Feldwicklungen geschaltet sind, zum Einweggleichrichten bzw. Halbwellengleichrichten von jeweils in der Vielzahl von Feldwicklungen induzierten elektromotorischen Kräften, so daß Gleichströme in der Vielzahl von Feldwicklungen fließen.

7. Dreiphasiger, bürstenloser&sub1; selbsterregeter Synchrongenerator nach Anspruch 6, worin die Drossel (13) eine variable Drossel ist, in welcher Drosselerregerströme steuerbar sind.

8. Dreiphasiger, bürstenloser, selbsterregeter Synchrongenerator nach Anspruch 6, worin jede der Vielzahl von Feldwicklungen (Wf) sequentiell mit einem elektrischen Winkel von 180º entsprechend einer Polteilung der Primägeneratorwicklungen auf einer vorgegebenen Anzahl von in dem Rotorkern (7) in regelmäßigen Abständen vorgesehenen Schlitzen vorgesehen ist.

9. Dreiphasiger, bürstenloser, selbsterregeter Synchrongenerator nach Anspruch 6, worin die Wicklungsanzahl der ersten Einphasenwicklung (WU) das 30,5-fache derjenigen von jeweils der zweiten Einphasenwicklung (WV) und der dritten Einphasenwicklung (WW) ist.