Wechselstromerzeugungsanlage für konstante Ausgangsfrequenz bei wechselnder Antriebsdrehzahl. Bei Wechsel- und Drehstromerzeugungs anlagen, die von Kraftmaschinen angetrieben werden, die ausser für die Stromerzeugung auch noch für andere Verbraucher Energie liefern, kommt es insbesondere in den Fäl len, in denen die Stromerzeugung nur einen geringen Anteil an der Gesamtkrafterzeu gung ausmacht, häufig vor, dass die Dreh zahl der Antriebsmaschine auf Grund von Forderungen des hauptsächlichen Energie verbrauchers mehr oder 'minder grossen Schwankungen unterworfen ist. Bei Verwen dung der üblichen Generatoren müssen in diesem Fall Mittel und Wege gesucht wer den, die Frequenzänderungen in irgendeiner Form auszugleichen.
Für die meisten Fälle kann man dabei als Regel annehmen, dass der normale Betrieb mit der Höchstdrehzahl er folgt, und dass nur für kürzere Zeiten der Generator mit verminderter Drehzahl läuft. Dabei ist diese Drehzahlschwankung des An- triebsmotors, die im folgenden als "Drehzahl- hub" bezeichnet werden soll, von Fall zu Fall sehr verschieden und kann zum Beispiel bei Flugzeugmotoren<B>50%</B> und mehr betra gen (Drehzahlhub<B>100%</B> auf 50%). Solange hierbei als Stromsystem Gleichstrom Ver wendung fand, konnten diese Drehzahl schwankungen durch Feldregelung ausgegli chen werden.
Bei Wechsel- und Drehstrom anlagen an Bord von Flugzeugen ist dieser Weg wegen der dem Drehzahlhub propor tionalen Frequenzänderungen nicht mehr möglich.
Es ist nun schon vorgeschlagen worden, in solchen Fällen hinter den eigentlichen Generator eine Zusatzmaschine zu schalten, in der eine Frequenzerhöhung hervorgerufen wird. Bei kleinen Frequenzschwankungen des Generators ist dieses Verfahren auch ohne Schwierigkeiten möglich, da in diesem Fall die der Frequenzerhöhungsmaschine mecha- nisch zuzuführende Leistung dann gering ist, wenn der Drehzahlhub sieh in erträglichen Grenzen hält. Beträgt er jedoch wie bei Flugzeugen 50% oder mehr, so erfordert die dem Generator nachgeschaltete Maschine zur Frequenzerhöhung eine Antriebsleistung von gleichfalls<B>50%</B> der geforderten elektrischen Leistung.
Die Maschinen und ihr Antrieb:;- motor werden schwer und sind im normalen Betrieb, das heisst bei voller Drehzahl des Antriebsmotors, überhaupt nicht ausgenutzt. Es ist weiter bereits vorgeschlagen worden. dieses Verfahren elektrisch und vor allein hinsichtlich des Wirkungsgrades dadurch zu vereinfachen, dass die Frequenzerhöhung- nicht in einem nachgeschalteten Drehwandler vorgenommen, sondern dadurch erreicht wird. dass der Ständer des Stromerzeugers beim Betrieb mit niederen Drehzahlen im Gegen sinn zum Anker angetrieben wird.
Diese Lö sung ist wirkungsgradmässig besonders gün- stig, erfordert jedoch einen gewissen kon struktiven Aufwand. da die erzeugte elek trische Energie über Schleifringe vorn dein umlaufenden Ständer des Generators abge nommen und die Zufuhr der Antriebsleistung für denselben über Getriebe usw. vorgesehen werden muss. Für die dem Generatorständer zuzuführenden Leistungen und Drehzahlen gelten dieselben Gesetze wie für eine nach geschaltete Maschine zur Frequenzerhöhung. Für beide Maschinengattungen lassen sich die Beziehungen zwischen Drehzahl, Pol paarzahl und Frequenz einerseits, Leistung. Polpaarzahl und Drehzahl anderseits leicht ableiten.
Die vorliegende Erfindung vermeidet die Nachteile der oben beschriebenen Verfahren, indem die Verwendung eines polumschalt- baren Generators mit weiteren frequenz ändernden Mitteln, z. B. denn Antriebe des Generatorständers, einem Drehwandler oder einem Umrichter kombiniert wird. Bei dem Antrieb des Generatorständers oder bei Nach schaltung eines Drehwandlers wird man ans technischen und wirtschaftlichen Gründen ein Kleinstmass der dem Generatorständer oder dem Drehwandler zuzuführenden Lei- stung anzustreben suchen.
Bei Verwendung eines Umrichters bietet die Polumschaltung ; des Generators den Vorteil, gewisse im Ge samtgebiet des Drehzahlhubes der Antriebs maschine mögliche Frequenzen und die dann am Umrichter erforderlichen Übersetzungs verhältnisse zu vermeiden, da, wie bekannt, j bei allen Umrichtern bei gewissen Frequenz- übersetzungsverhältnissen, vor allem bei ge radzahligen, stromrichtertechnische und steue rungstechnische Schwierigkeiten auftreten können.
Ausserdem bietet der Umrichter den Vorteil, dass die Generatorfrequenz unabhän gig von der des zu versorgenden Netzes so gewählt werden kann, dass sich in Auslegung und Bau günstigste Verhältnisse für die 111a- schine ergeben. Dieser Vorteil rührt daher, dass beim Umrichter kein zweiter Energie weg wie bei den andern frequenzändernden Einrichtungen vorgesehen werden muss.
In Fig. 1 der Zeichnung ist als Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung die prinzipielle Anordnung eines Maschinensatzes dargestellt, wobei zur Frequenzerhöhung bezw. -erniedri- gung der Ständer des polumschaltbaren Ge- nerators angetrieben wird. Der Antriebs motor .1I treibt mit veränderlicher Drehzahl den Läufer L eines polumschaltbaren Dreh strornäenerators G an, dessen Ständer S über ein Regelgetriebe R gleichfalls vom Haupt motor aus mit beliebiger Drehzahl und Dreh richtung angetrieben werden kann.
Dieses Getriebe kann ein mechanisches oder hydrau lisches. aber auch ein elektrisches Getriebe, z. B. ein Leonardsatz sein. Dieses Getriebe ermöglicht < s, auf den Ständer des Generators jedes beliebige Drehmoment; bei jeder belie bigen Drehzahl Lund Drehrichtung auszuüben.
Vorteilhafterweise wird man die Anlage so ausbilden, dass der Generator G über den ma.nzern praktisch auftretenden Drehzahlhub der Hauptantriebsmaschine in der Lage ist, die volle oder eine gewisse Teilleistung des Generators an elektrischer Energie abzuge ben und dabei Frequenz und Spannung kon stant zu halten.
Gelingt es, durch schaltungs technische Massnahmen im Erregerkreis bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung für die einzelnen benutzten Polzahlen des Gene- rators entsprechende Werte des Erregerstro mes einzustellen, dann ist die Forderung kon stanter Ausgangsspannung erfüllt, sofern konstante Ausgangsfrequenz vom Maschinen satz durch Wahl der erforderlichen Drehzah len für Ständer und Läufer geliefert wird. Je nach den Betriebsverhältnissen wird man nun eine oder zwei häufig benutzte Drehzah len des Antriebsmotors festlegen, bei denen die Anlage möglichst ohne Energiezufuhr oder -abfuhr vom Ständer des Drehstrom- generators betrieben werden kann.
Man wird ferner, je nach der Bauart und der Wir kungsgradkurve des Regelgetriebes, dasselbe so ausführen, dass man mit ihm einen grossen Drehzahlbereich überstreicht und dann nur zwei Polpaarzahlen im Generator benötigt, oder man wird dem Generator eine grössere Anzahl von Polpaarzahlen zugestehen, um dafür ein einfaches Getriebe mit besserem Wirkungsgrad zu bekommen. Schliesslich ist es noch möglich, je nach der Ausführung des Getriebes eine oder beide Energierichtungen in demselben, also mechanische Energie zufuhr und -abfuhr vom Ständer des Dreh- stromgenerators vorzusehen.
Zur Erläuterung der Betriebsverhältnisse für alle im Betrieb des Drehzahlhubes lie gende Antriebsdrehzahlen ist dabei in dem schematischen Diagramm Fig. 2 unter Zu grundelegung zweier Polpaarzahlen am Ge nerator in Abhängigkeit einer beliebigen Grösse, beispielsweise der Zeit t, die Drehzahl der Antriebsmaschine nm aufgetragen, und zwar ist angenommen, dass der Drehzahlhub zeitlinear im Laufe der Zeit T durchlaufen wird. Auf der linken Seite des Diagramms hat also der Antriebsmotor seine volle Dreh zahl, auf der rechten Seite als Beispiel nur noch 50 % davon (stark ausgezogene Kurve nm).
Die Drehzahlen, die dem Ständer des Ge- nerators über das Getriebe unter den ver schiedenen, oben genannten Voraussetzungen zugeführt werden müssen, sind in den wei teren Kurven 1 bis 4 dargestellt. Die Kurve 1 geht davon aus, dass der Generator nicht pol- umschaltbar ist. Genau in dem Masse, wie die Drehzahl des Antriebsmotors auf die Hälfte absinkt, muss der Ständer mit immer grösser werdender Geschwindigkeit und schliesslich gleichfalls mit der halben Höchstdrehzahl des Motors angetrieben werden. Dabei ist für den Ständer der gleiche Drehsinn wie für den Läufer positiv gerechnet, so dass die Dreh zahlgerade des Ständers parallel zu der des Motors verläuft.
Der Abstand beider Gera den voneinander ist die relative Drehzahl zwischen Motor und Ständer und damit ein Mass für die Frequenz.
In der Kurve 2 ist der Drehzahlverlauf dargestellt, den der Ständer des Drehstrom- generators dann ausführen muss, wenn er im Verhältnis 1<B>:92</B> polumschaltbar ist, und wenn das Getriebe jede beliebige Drehzahl- und Leistungsübertragung zwischen Ständer und Hauptmotor erlaubt. Nach Absinken der Mo tordrehzahl auf<B>75%</B> ihres Höchstwertes wird eine Polumschaltung vorgenommen und gleichzeitig die Drehrichtung des Ständers umgekehrt. In der rechten Hälfte des Dia gramms sinkt dann die Ständerdrehzahl ana log zur Motordrehzahl.
Es ergibt sich für die zweite Polpaarzahl eine zweite Drehzahl kennlinie, deren Abstand von der Motordreh zahlkennlinie nM durch das Polpaarverhält nis bei der Umschaltung gegenüber dem er sten Fall gekennzeichnet ist.
Die Kurven 3 und 4 kennzeichnen schliess lich das Betriebsverhalten der Anlage unter der Voraussetzung, dass (bei Kurve 3) das Getriebe nur Energiezufuhr zum Ständer des Generators oder (Kurve 4) nur Energie abfuhr vom Ständer des Generators erlaubt. In diesen Fällen muss die Polumschaltung an einen der beiden Endpunkte des Drehzahl hubes verlegt werden. Regelgetriebe mit nur einer Leistungsübertragungsrichtung sind bei spielsweise Schneckengetriebe in selbsthin dernder oder beinahe selbsthindernder Form: ferner hydraulische Getriebe, insbesondere der Verdrängungspumpenbauart, mit nicht zwangläufig gesteuerten Ventilen und elek trische Getriebe, insbesondere kleinerer Ty penleistung.
Bei diesen letztgenannten Ge- trieben (Leonardsatz) machen sich nämlich die Spannungsabfälle in der Richtung be merkbar, dass eine Leistungsübertragung im umgekehrten Sinne nicht oder nur mit schlechtem Wirkungsgrad möglich ist. Bei solchen Anordnungen mit Regelgetrieben mit nur einer Leistungsübertragungsrichtung kön nen die Umschaltpunkte für die verschie denen Generatorpolzahlen so gelegt werden, dass vor oder nach der Umschaltung der Ge neratorständer oder der Drehtransformator stillsteht oder nur sehr langsam, das heisst mit höchstens 10ö seiner grössten Drehzahl, umläuft,
oder dass sieh bei jeder dieser Um schaltungen die Drehrichtung des Drehtrans formators umkehrt und die Beträge der Dreh zahl vor und nach der Umschaltung gleich gross sind.
Bei den genannten Beispielen war als Vor aussetzung angenommen, dass mit Rücksicht auf den Wirkungsgrad des Getriebes bei den beiden Endwerten der Antriebsdrehzahl ein Betrieb mit stillstehendem Generatorständer möglich sein muss. In vielen Fällen wird man auf diese Einschränkung bei der kleinsten Drehzahl verzichten können, einmal, weil die ser Betrieb normalerweise nicht: allzulange dauert, und das andere Mal, weil bei gedros seltem Antriebsmotor sowieso für die elek trische Anlage genug Antriebsleistung zur Verfügung steht.
In dem Diagramm Fig. 3 ist in Kurve 1 dargestellt, wie sich für die sen Fall bei einer Polumschaltung 1<B>:2)</B> und einem Drehzahlhub l00/50 noch günstigere Verhältnisse dann ergeben, wenn man bei ge ringster Drehzahl der Antriebsmaschine einen Betrieb mit umlaufendem Generatorständer vorsieht. Lässt man bei höchster und niedrig ster Drehzahl des Antriebsmotors den Stän der umlaufen, dann liegt nach Kurve 2 (Fig. 3) der Umschaltpunkt wiederum in der Mitte des Drehzahlhubes, n=ährend der Dreh zahlbereich des Generatorständers und damit des Getriebes weiter verkleinert ist. Zum Vergleich ist auch die Kurve 2 des Dia gramms der Fig. 2 mit der Bezeichnung 3 hier nochmals eingetragen.
Für die Benutzung von Generatoren, die sieh auf mehr als zwei Polpaarzahlen um schalten lassen, lassen sich die entsprechen-., den Verhältnisse ohne weiteres analog ablei ten. Sie sind für einen Generator mit drei Polpaarzahlen und einem Drehzahlhub von 100/25 in dem Diagramm der Fig. 4 darge stellt, wobei wiederum die Kurve 1 von den- ; selben Voraussetzungen ausgeht wie die Kurve 2 des Diagramms der Fig. 2, \nährend die Kurve 2 von Fig. 4 die Forderung einer möglichst kleinen Antriebsdrehzahl für den Ständer des Generators voranstellt und ge stattet, dass in den beiden Endlagen, nämlich bei höchster und niedrigster Drehzahl, mit umlaufendem Generatorständer gefahren wird (entsprechend Kurve 2 in Fig. 3).
Die Beziehungen zwischen Drehzahlhub, Polpaarzahl, Ständerdrehzahl und Getriebe leistung sind nachstehend unter Berücksich tigung folgender Einschränkungen aufge stellt.
Es sollen hier nur solche Anordnungen betrachtet werden, bei denen die Grenzbedin- gungen, nämlich Energierichtung und Stän derdrehzahl, eindeutig eine Optimallösung erlauben.
Die bei mehreren Polumschaltungen (P > 1) vorkommenden Drehzahlsprünge sol len alle gleich gross sein. Bei beliebiger Ener gierichtung über das Getriebe sollen die Dreh zahlsprünge des Ständers bei den Polum schaltungen symmetrisch zur Nullinie liegen.
Es stehen solche Polpaarzahlen zur Ver fügung, dass die Umschaltmomente auf der Zeitachse äquidistant verteilt werden können.
Zur Bestimmung der Anzahl der soge nannten Arbeitsbereiche sind von den zwölf durch Kombination der vier Drehzahlfest legungen mit den drei Energierichtungsmög lichkeiten entstehenden Betriebsarten die acht den obengenannten Einschränkungen entspre chenden Fälle in der Tafel der Fig. 5 sche matisch hinsichtlich des Drehzahlverlaufes des Ständers unter Zugrundelegung dreier Pol- umsehaltungen am Generator (P = 3) auf gezeichnet und in jedem Fall die Formel für die Zahl der Arbeitsbereiche A in Abhängig keit der Zahl der Polpaarverhältnisse P auf- gestellt.
Hierbei bedeuten nS die Drehzahlen des Ständers am obern bezw. am untern Ende des Drehzahlhubes, das heisst bei der höch sten bezw. niedrigsten Motordrehzahl nMmax bezw. nm,";". Als Arbeitsbereich ist jedesmal das Gebiet bezeichnet, in dem bei einer be nutzten Polpaarzahl der Ständer des Gene- rators den Drehzahlbereich zwischen Still stand und einem Maximalwert durchläuft, z. B. zwischen den Punkten t, und t2, t, und t3, t3 und t,, in Fig. 4. Die Grösse des Dreh zahlhubes des Antriebsmotors ist bei den Be trachtungen gleichgültig und daher nicht an gegeben.
Sie bestimmt nur zum Schluss den absoluten Wert der maximalen Ständerzah len, nicht aber die Verhältniswerte dieser Grössen zueinander für die verschiedenen Lö sungsmöglichkeiten.
Zur Festlegung der maximalen Ständer , drehzahl nSmax lassen sich die Beziehungen ohne weiteres aus Fig. 2 direkt ablesen. Die maximale Ständerdrehzahl beträgt:
EMI0005.0004
Hierbei bedeutet:
nSmax = höchste Ständerdrehzahl, nMmax - höchste Motordrehzahl, nMmin = niedrigste Motordrehzahl,
A. = Zahl der Arbeitsbereiche.
Es ist ersichtlich, dass die maximale Stän derdrehzahl direkt vom Drehzahlhub des Antriebsmotors abhängig und umgekehrt proportional der Zahl der verwendbaren Ar beitsbereiche ist. Wie hoch sie im Einzel fall gewählt werden kann, richtet sich nach dem konstruktiv zulässigen Aufwand für Ge nerator und Regelgetriebe, indem sie von der Zahl der Polumschaltungen, der Energierich tung im Getriebe und der Möglichkeit des Betriebes mit umlaufendem Ständer in den beiden Enddrehzahlen abhängt. Man sieht jedoch aus den Darstellungen der Fig. 5, dass eine übertriebene Vermehrung der Arbeits bereiche nicht mehr so viel Einsparungen bringt, wie anderseits konstruktiver und re geltechnischer Mehraufwand entsteht.
Die bisherigen Betrachtungen gingen da von aus, dass die für eine äquidistante An- ordnung der Umschaltstellen auf der Zeit achse erforderlichen Polpaarzahlen am Gene rator ohne weiteres gewählt werden können. In Fig. 6 ist ein Teil des Drehzahldiagramms unter Annahme von fünf Polumschaltungen - sechs Polpaarzahlen nochmals in veränder ter Form gezeichnet. Als oberste Linie ist die Motordrehzahl nm angegeben, für die ein Hub von 1001'331/3 angenommen wurde. Die Drehzahlkennlinien für die verschiedenen Polzahlen des Generators sind mit np1 bis np6 bezeichnet und nur im Bereich positiver Stän derdrehzahlen angegeben. Sie laufen, wie schon früher erwähnt, der Drehzahlkurve des Motors parallel.
Ihr Abstand von der Motor geraden ergibt, multipliziert mit der zugehö rigen Polpaarzahl und einer Konstanten, die Ausgangsfrequenz. Dann müssen sich aber anderseits die Abstände dieser Geraden un tereinander k . a und gegenüber der Motor kennlinie k1 . a ganzzahlig zueinander ver halten, da nur ganzzahlige Polpaazahlen vor kommen können. Infolgedessen lassen sich ,die Abstände der Drehzahlkennlinien unterein ander und gegen die Motordrehzahlgerade am einfachsten als ganzzahlige Vielfache k und k, einer Konstanten a ausdrücken, wobei k, 1g,, ganze Zahlen sind.
Dies ist in Fig. 6 durch die Abstandsangaben der Drehzahlkennlinien für den Fall geschehen, dass mit stillstehen dem Ständer bei Maximal- und Minimaldreh zahl des Motors gearbeitet wird, also die Drehzahlkennlinie für den Generatorständer bei höchster und niedrigster Drehzahl des Motors im Nullpunkt beginnt. In Fig. 7 sind mit andern Massstäben unter Annahme von vier Polpaarzahlen die Verhältnisse für den Fall des Ständerantriebes bei höchster Motor drehzahl angegeben. Analog zeigt Fig. 8 den Betriebsfall mit angetriebenem Ständer bei niedrigster Motordrehzahl.
Aus den oben ge nannten Voraussetzungen ergibt sich, dass damit der Abstand der untersten bezw. ober sten Ständerdrehzahlkennlinie vom Null punkt betragen muss, wenn der Abstand für die
EMI0005.0018
weiteren Polumschaltungen jeweils <I>k .</I> a beträgt. Für die Betriebsfälle mit nur einer Energieflussrichtung im Getriebe lässt sich aus Fig. 5 leicht erkennen, dass sie alle auf das Schema der Fig. 6 zurückgehen.
Für alle drei Möglichkeiten lassen sieb die Polpaarzahlbedingungen in den Formeln zusammenfassen.
Es gelten: Für ruhenden Generatorstän der (Fig. 6):
(1) (P-1) . k . a. -;- 7-1 . a - nMmax
Für Ständerantrieb bei höchster und kleinster Motordrehzahl ! Fig. 7 , 8)
EMI0006.0000
Hierbei sind P, 1,;, 1;-1 ganzzahlig und (3) 1"i . a. - nMmin
Jetzt kann das höchste Drehmoment fest gelegt werden, das auf den Ständer ausgeübt, also vom Getriebe abgegeben werden muss. Unter Voraussetzung konstanter Ausgangs
leistung und gleichen Wirkungsgrades für
den Generator bei allen Polpaarzahlen errech net sich das Drehmoment .1I" bei einer Pol paarzahl p" aus dein Drehmoment :M1 bei. der niedrigsten Polpaarzahl p1 (Motordrehzahl
nM1 bei stehendem Ständer) nach der folgen den Formel:
EMI0006.0002
Zur Bestimmung des Maximalmomentes geht man einfacher von der Konstanz dei-
Leistungen bei höchster und niedrigster Mo tordrehzahl aus. Für den in Fig. 6 dargestell ten Fall, also bei ruhendem Generatorständer. ergibt sieh:
EMI0006.0006
Da gemäss Formel (1) der Seite 6: nMmax = (P - l) k . a + 1-l . a
Lind gemäss Formel<B>(</B>3) .der Seite 6: nMmin = k1 . a,
ist:
EMI0006.0009
Bei Antrieb des Ständers muss seine Dreh zahl bei höchster und niedrigster Motordreh zahl berücksichtigt werden; es gilt gemäss Fig. 7 für Ständerantrieb mit der Dreh zahl +
EMI0006.0012
bei der höchsten Motordrehzahl:
EMI0006.0013
Da gemäss Formel (2) der Seite 6:
EMI0006.0014
und gemäss Formel (3) der Seite 6: nMmin = k, . a, ist:
EMI0006.0016
Für Ständerantrieb mit der Drehzahl -
EMI0006.0017
(gemäss Fig. 8) bei der niedrigsten Motordrehzahl ist:
EMI0006.0018
Setzt nian wieder für @bm"lax und 71H,"qp die
Werte der Formeln (\?) und (3) der Seite 6 ein, so erhält man
EMI0006.0027
also:
EMI0007.0000
Zur Bestimmung der relativen Leistung des Regelgetriebes wird die Getriebeleistung NG auf die für den Generatorantrieb erfor derliche Leistung Ne1 bezogen. Dabei ist
NG - C # Mmax ' nSmax Hierbei bedeutet:
NG = Getriebeleistung,
Mmax = maximales Getriebemoment (Stän dermoment des Generators),
nSmax = maximale Ständerdrehzahl und
Nel = C . Mmin # nMmax,
Nel = Generatorleistung bei allen Motor drehzahlen,
Mmin = kleinstes Getriebemoment,
nMmax - maximale Antriebsdrehzahl des Ge neratorläufers. Für alle Fälle, bei denen bei höchster und
niedrigster Antriebsdrehzahl der Generator ständer stillsteht, gilt dann:
EMI0007.0005
Damit ist die relative Getriebeleistung G
EMI0007.0006
Für den Arbeitsbereich A gelten dabei die in Fig. 5 gemachten Angaben, wobei aus drücklich die drei rechten Spalten, der Ta belle ausgenommen sind. Für diese Fälle lässt sich die Berechnung am einfachsten ausfüh ren, wenn man eine oder beide Diagramm grenzen auf den Punkt nS - 0 verlegt und für die dort geltenden Drehzahlen die Rech nung ausführt.
Alternating current generation system for constant output frequency with changing drive speed. In AC and three-phase power generation systems that are driven by prime movers that supply energy to other consumers in addition to power generation, it occurs frequently in cases in which power generation makes up only a small proportion of the total power generation that the speed of the drive machine is subject to more or 'less large fluctuations due to the demands of the main energy consumer. If the usual generators are used, ways and means must be sought in this case to compensate for the frequency changes in some way.
In most cases it can be assumed as a rule that normal operation takes place at maximum speed and that the generator only runs at reduced speed for shorter times. This speed fluctuation of the drive motor, which is to be referred to as "speed stroke" in the following, is very different from case to case and can, for example, be <B> 50% </B> and more in aircraft engines (speed stroke < B> 100% </B> to 50%). As long as direct current was used as the current system, these speed fluctuations could be compensated for by field control.
With AC and three-phase systems on board aircraft, this path is no longer possible because of the frequency changes proportional to the speed stroke.
It has already been proposed in such cases to connect an additional machine behind the actual generator, in which an increase in frequency is caused. In the case of small frequency fluctuations of the generator, this method is also possible without difficulties, since in this case the power to be fed mechanically to the frequency increasing machine is low when the speed stroke is kept within tolerable limits. However, if it is 50% or more, as is the case with aircraft, the machine connected downstream of the generator requires a drive power of likewise <B> 50% </B> of the required electrical power in order to increase the frequency.
The machines and their drive:; - the motor becomes heavy and is not used at all in normal operation, i.e. at full speed of the drive motor. It has also been proposed. to simplify this method electrically and primarily with regard to the degree of efficiency in that the frequency increase is not carried out in a downstream rotary converter, but is achieved through it. that the stator of the power generator is driven in the opposite direction to the armature when operating at low speeds.
This solution is particularly favorable in terms of efficiency, but requires a certain amount of design effort. since the generated electrical energy is removed via slip rings in front of your rotating stator of the generator and the supply of drive power for the same via gearbox etc. must be provided. The same laws apply to the power and speeds to be supplied to the generator stand as to a downstream machine for increasing the frequency. For both machine types, the relationships between speed, number of pole pairs and frequency on the one hand, power. On the other hand, easily derive the number of pole pairs and speed.
The present invention avoids the disadvantages of the methods described above by the use of a pole-changing generator with additional frequency-changing means, e.g. B. because drives of the generator stand, a rotary converter or a converter is combined. When driving the generator stator or when connecting a rotary converter downstream, for technical and economic reasons the aim is to achieve a minimum amount of power to be supplied to the generator stand or the rotary converter.
When using an inverter, pole changing offers; of the generator has the advantage of avoiding certain frequencies possible in the entire range of the speed stroke of the drive machine and the gear ratios then required on the converter, since, as is known, j with all converters with certain frequency gear ratios, especially with straight-numbered, converter-technical and Control technical difficulties can arise.
The converter also offers the advantage that the generator frequency can be selected independently of that of the network to be supplied in such a way that the design and construction of the machine are most favorable. This advantage arises from the fact that no second energy has to be provided for in the converter as with the other frequency-changing devices.
In Fig. 1 of the drawing, the basic arrangement of a machine set is shown as Ausfüh approximately example of the invention, with BEZW to increase the frequency. - lowering of the stator of the pole-changing generator is driven. The drive motor .1I drives the rotor L of a pole-changing rotary strornäenerators G with variable speed, whose stator S can also be driven by the main motor via a control gear R at any speed and direction of rotation.
This transmission can be mechanical or hydraulic. but also an electric transmission, e.g. B. be a Leonard sentence. This gear allows <s, any torque on the stator of the generator; at any speed L and direction of rotation.
The system will advantageously be designed in such a way that the generator G is able to deliver the full or a certain partial power of the generator to electrical energy via the speed stroke of the main drive machine that occurs in practice, while keeping the frequency and voltage constant.
If it is possible to set corresponding values of the exciter current for the individual number of poles of the generator used by means of technical circuit measures in the exciter circuit in the arrangement shown in FIG. 1, then the requirement of constant output voltage is met, provided that constant output frequency from the machine set by choice the required speeds for stator and rotor is supplied. Depending on the operating conditions, one or two frequently used speeds of the drive motor will now be set at which the system can be operated as far as possible without energy supply or removal from the stator of the three-phase generator.
You will also, depending on the design and the efficiency curve of the control gear, do the same so that you cover a large speed range with it and then only need two numbers of pole pairs in the generator, or you will allow the generator to have a larger number of pole pairs in order to do so to get a simple gearbox with better efficiency. Finally, depending on the design of the transmission, it is also possible to provide one or both energy directions in the same, that is to say mechanical energy supply and removal from the stator of the three-phase generator.
To explain the operating conditions for all drive speeds that are in operation of the speed stroke, the speed of the drive machine nm is plotted in the schematic diagram in Fig. 2 based on two numbers of pole pairs on the generator as a function of any variable, for example time t, namely it is assumed that the speed stroke is traversed linearly over time T. On the left-hand side of the diagram, the drive motor has its full speed, on the right-hand side, as an example, only 50% of it (strongly drawn curve nm).
The speeds that have to be fed to the stator of the generator via the gear unit under the various conditions mentioned above are shown in the other curves 1 to 4. Curve 1 assumes that the generator is not pole-changing. Exactly to the extent that the speed of the drive motor drops by half, the stator must be driven with increasing speed and finally also with half the maximum speed of the motor. The same direction of rotation as for the rotor is calculated positively for the stator, so that the speed line of the stator runs parallel to that of the motor.
The distance between the two straight lines is the relative speed between the motor and the stator and thus a measure of the frequency.
Curve 2 shows the speed curve that the stator of the three-phase generator must execute when it is pole-changing in a ratio of 1 <B>: 92 </B>, and when the gearbox has any speed and power transmission between the stator and Main engine allowed. After the engine speed has dropped to <B> 75% </B> of its maximum value, the pole is switched and the direction of rotation of the stator is reversed at the same time. In the right half of the diagram, the stator speed then drops in line with the motor speed.
This results in a second speed characteristic curve for the second number of pole pairs, the distance from the motor speed characteristic curve nM by the pole pair ratio when switching over compared to the first case.
Finally, curves 3 and 4 characterize the operating behavior of the system, provided that (in curve 3) the gearbox only allows energy to be supplied to the stator of the generator or (curve 4) only to allow energy to be removed from the stator of the generator. In these cases, the pole changing must be moved to one of the two end points of the speed stroke. Variable speed gears with only one power transmission direction are, for example, worm gears in Selbsthin dernder or almost self-hindering form: also hydraulic gears, especially the positive displacement pump type, with not necessarily controlled valves and elec trical gears, especially smaller types of power.
In the case of these last-mentioned transmissions (Leonard sentence), the voltage drops become noticeable in the direction that power transmission in the opposite direction is not possible or is only possible with poor efficiency. In such arrangements with variable speed gears with only one direction of power transmission, the switching points for the various generator pole numbers can be set so that before or after switching the generator stand or the rotary transformer is stationary or only rotates very slowly, i.e. at a maximum of 10 ° of its highest speed ,
or that with each of these switchings, the direction of rotation of the rotary transformer reverses and the amounts of the speed before and after the switchover are the same.
In the examples mentioned, it was assumed as a prerequisite that, with regard to the efficiency of the gearbox, operation with the generator stand must be possible at the two end values of the drive speed. In many cases, you will be able to do without this restriction at the lowest speed, on the one hand because this operation does not normally take too long, and on the other hand because enough drive power is available for the electrical system anyway when the drive motor is throttled.
In the diagram of Fig. 3 is shown in curve 1, how the sen case with a pole change 1 <B>: 2) </B> and a speed stroke l00 / 50 then result when one at ge lowest speed the prime mover provides for operation with a rotating generator stand. If you let the stator revolve at the highest and lowest speed of the drive motor, then according to curve 2 (Fig. 3) the switchover point is again in the middle of the speed stroke, while the speed range of the generator stand and thus the transmission is further reduced. For comparison, curve 2 of the diagram of FIG. 2 with the designation 3 is entered again here.
For the use of generators that can be switched to more than two pole pair numbers, the corresponding., The ratios can be derived analogously. They are for a generator with three pole pair numbers and a speed stroke of 100/25 in the diagram Fig. 4 represents Darge, in turn the curve 1 of the-; The same prerequisites are assumed as curve 2 of the diagram in FIG. 2, while curve 2 of FIG. 4 precedes the requirement of the lowest possible drive speed for the stator of the generator and allows that in the two end positions, namely at the highest and lowest Speed, is driven with rotating generator stand (corresponding to curve 2 in Fig. 3).
The relationships between the speed stroke, number of pole pairs, stator speed and gear output are set out below, taking the following restrictions into account.
Only those arrangements are to be considered here in which the boundary conditions, namely the direction of energy and the stator speed, clearly permit an optimal solution.
The speed jumps occurring with several pole changes (P> 1) should all be the same. With any energy direction via the gear, the speed jumps of the stator should be symmetrical to the zero line with the pole changes.
Such numbers of pole pairs are available that the switching torques can be distributed equidistantly on the time axis.
To determine the number of so-called working areas, of the twelve operating modes resulting from the combination of the four speed settings with the three energy direction possibilities, the eight cases in the table in FIG. 5 corresponding to the above restrictions are schematically shown with regard to the speed curve of the stator, based on three Pole changes are recorded on the generator (P = 3) and the formula for the number of working areas A as a function of the number of pole pair ratios P is established in each case.
Here nS mean the speeds of the stator on the top or respectively. at the lower end of the speed stroke, that is, at the highest respectively. lowest engine speed nMmax resp. nm, ";". The area in which the stator of the generator runs through the speed range between standstill and a maximum value with a number of pole pairs being used is always referred to as the working area, e.g. B. between points t, and t2, t, and t3, t3 and t ,, in Fig. 4. The size of the speed stroke of the drive motor is indifferent to the Be considerations and therefore not given.
It only determines the absolute value of the maximum number of columns at the end, but not the ratio values of these variables to one another for the various possible solutions.
To determine the maximum stator speed nSmax, the relationships can easily be read directly from FIG. The maximum stator speed is:
EMI0005.0004
Here means:
nSmax = highest stator speed, nMmax - highest motor speed, nMmin = lowest motor speed,
A. = number of work areas.
It can be seen that the maximum stator speed is directly dependent on the speed stroke of the drive motor and is inversely proportional to the number of usable work areas. How high it can be selected in each individual case depends on the design effort for the generator and control gear, as it depends on the number of pole changes, the direction of energy in the gear and the possibility of operation with a rotating stator in the two final speeds. However, it can be seen from the representations of FIG. 5 that an exaggerated increase in the work areas no longer brings as much savings as, on the other hand, more constructive and technical additional effort.
The previous considerations were based on the assumption that the number of pole pairs required for an equidistant arrangement of the switching points on the time axis can be easily selected on the generator. In Fig. 6 a part of the speed diagram is drawn under the assumption of five pole changes - six pole pair numbers again in veränder ter form. The top line is the engine speed nm, for which a stroke of 1001'331 / 3 was assumed. The speed characteristics for the various numbers of poles in the generator are designated np1 to np6 and are only given in the range of positive stator speeds. As mentioned earlier, they run parallel to the engine speed curve.
Their distance from the straight motor, multiplied by the corresponding number of pole pairs and a constant, results in the output frequency. Then, on the other hand, the distances between these straight lines must be k. a and with respect to the motor characteristic curve k1. a are integer to one another, since only integer pole pair numbers can occur. As a result, the distances between the speed characteristics and against the engine speed line can be expressed most simply as integer multiples k and k, of a constant a, where k, 1g ,, are integers.
This is done in Fig. 6 by the distance information of the speed characteristics for the case that the stator is at a standstill at the maximum and minimum engine speed, i.e. the speed characteristic for the generator stator begins at zero at the highest and lowest engine speed. In Fig. 7, the conditions for the case of the stator drive at the highest motor speed are given with different scales, assuming four pole pair numbers. Similarly, FIG. 8 shows the operating case with a driven stator at the lowest engine speed.
From the above ge conditions it follows that the distance between the lowest and respectively. top stator speed characteristic must be from the zero point if the distance for the
EMI0005.0018
further pole changes each <I> k. </I> a. For the operating cases with only one direction of energy flow in the transmission, it can easily be seen from FIG. 5 that they all go back to the diagram of FIG. 6.
For all three possibilities, let the number of pole pair conditions be summarized in the formulas.
The following apply: For stationary generator stands (Fig. 6):
(1) (P-1). k. a. -; - 7-1. a - nMmax
For stator drive at the highest and lowest motor speed! Fig. 7, 8)
EMI0006.0000
Here P, 1,;, 1; -1 are integers and (3) 1 "generally - nMmin
Now the highest torque can be set that has to be exerted on the stand, i.e. that has to be delivered by the gearbox. Assuming constant output
power and the same efficiency for
the generator for all pole pair numbers, the torque .1I "for a pole pair number p" is calculated from your torque: M1 at. the lowest number of pole pairs p1 (motor speed
nM1 with standing stand) according to the following formula:
EMI0006.0002
To determine the maximum torque, it is easier to start from the constancy of the
Performances at the highest and lowest engine speed. For the case dargestell th in Fig. 6, so when the generator stand is stationary. results see:
EMI0006.0006
Since according to formula (1) on page 6: nMmax = (P - l) k. a + 1-l. a
According to the formula <B> (</B> 3). On page 6: nMmin = k1. a,
is:
EMI0006.0009
When driving the stator, its speed at the highest and lowest motor speed must be taken into account; it applies according to FIG. 7 for stator drive with the speed +
EMI0006.0012
at the highest engine speed:
EMI0006.0013
Since according to formula (2) on page 6:
EMI0006.0014
and according to formula (3) on page 6: nMmin = k,. a, is:
EMI0006.0016
For stator drives with the speed -
EMI0006.0017
(according to Fig. 8) at the lowest engine speed is:
EMI0006.0018
Set nian again for @bm "lax and 71H," qp die
Values of the formulas (\?) And (3) on page 6 are obtained
EMI0006.0027
so:
EMI0007.0000
To determine the relative power of the variable speed gearbox, the gear power NG is related to the power Ne1 required for the generator drive. It is
NG - C # Mmax 'nSmax where:
NG = transmission power,
Mmax = maximum gear torque (stator torque of the generator),
nSmax = maximum stator speed and
Nel = C. Mmin # nMmax,
Nel = generator power at all engine speeds,
Mmin = smallest gear torque,
nMmax - maximum drive speed of the generator rotor. For all cases where the highest and
lowest drive speed the generator stator is stationary, then:
EMI0007.0005
The relative transmission power G is thus
EMI0007.0006
The information given in FIG. 5 applies to work area A, the three right columns of the table being expressly excluded. The easiest way to perform the calculation in these cases is to relocate one or both of the diagram boundaries to point nS - 0 and perform the calculation for the speeds applicable there.