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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Generator für Wechsel-
bzw. Drehstrom mit konstanter Spannung und konstanter Frequenz bei
variabler Antriebsdrehzahl, vorzugsweise zur Einspeisung in ein Versorgungsnetz.
Eine solche Aufgabenstellung tritt besonders bei Windkraftanlagen
auf.
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Bekannte
Lösungen für diese Aufgabenstellung können
in drei Klassen eingeteilt werden:
- 1. Gleichstromgenerator
mit nachgeschaltetem Wechselrichter.
- 2. Über Wechselrichter gespeiste doppelt gespeiste
Asynchronmaschine.
- 3. Drehstromgenerator höherer Phasenzahl mit nachgeschaltem
Frequenzumrichter (Matrixumrichter s. z. B. WO 2006/103159 ).
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Nachteilig
ist bei diesen Lösungen der hohe Aufwand, insbesondere
für die Wechselrichter bzw. Frequenzumrichter. Im ersten
Fall müssen diese für den gesamten Leistungsfluss
dimensioniert sein, im zweiten Fall wird nur ein Teil der Gesamtleistung
(z. B. 33% bei einem Drehzahlvariationsbereich von +/–25%
der Nenndrehzahl) über Wechselrichter geführt,
bei Drehzahlen unter der Nenndrehzahl muss dem Rotor Leistung zugeführt
werden, bei Drehzahlen oberhalb der Nenndrehzahl wird Leistung vom Rotor
abgenommen, d. h. es ist ein bidirektionaler Wechselrichter erforderlich.
Zusätzlich ist durch die Notwendigkeit einer kompletten
Drehstromwicklung auf dem Rotor einschließlich deren Stromzuführung der
Generator aufwendiger. Im dritten Fall sind zur Erzielung einer
ausreichenden Oberwellenfreiheit des in das Versorgungsnetz eingespeisten
Stromes hohe Ventilzahlen und ebenfalls ein ein auf wendiger Generator
erforderlich.
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Die
vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Generator zu
schaffen, der über einen großen Drehzahlbereich
(mindestens 1:3) einen Strom mit niedrigem Oberwellengehalt in ein
Netz konstanter Spannung und konstanter Frequenz einspeisen kann
bei minimalem Aufwand an leistungselektronischen Bauelementen.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe gelöst durch die Verwendung einer Reluktanzmaschine ähnlich
der in der
DE-OS 4314290 beschriebenen. Weitere
Reluktanzgeneratoren sind in den Schriften
AT 295644 ,
DE 2832165 ,
DE 1538934 ,
EP 1717947 und
WO 01/43273 beschrieben. Außer
der in der
DE 1538934 beschriebenen
Maschine sind diese Reluktanzgeneratoren jedoch Gleichstromgeneratoren vorgesehen.
Bei dem in der
DE 1538934 beschriebenen
Wechselstrom-Reluktanzgenerator handelt es sich um eine spezielle
Konstruktionsvariante. Bei den Schriften
EP 1717947 und
WO 01/49273 werden Reluktanzmaschinen
von ähnlichem konstruktiven Aufbau wie in der vorliegenden
Erfindung benutzt, ihre Ausgangsleistung kann jedoch nur auf ein
Gleichspannungsnetz oder eine Batterie abgegeben werden. Zudem wird
in beiden Fällen eine im Verhältnis zur abgegebenen
Leistung hohe Erregerleistung benötigt.
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Die
erfindungsgemäße Reluktanzmaschine weist folgende
Merkmale auf:
- – Es gibt für
jede Phase der Ausgangsspannung eine Anzahl von n gleichmäßig
gegeneinander verschobenen Teilphasen, die mit einem mehrfachen
der Frequenz des Netzes arbeiten, in das eingespeist werden soll.
Diese Frequenz ergibt sich aus der Zähnezahl des Rotors
und der Rotordrehzahl, die Phasenverschiebung aus der relativen
Lage der Statotorverzahnung der Teilphasen gegenüber der
Rotorverzahnung.
- – Die n Teilphasen jeder Phase der Ausgangsspannung
tragen je eine Arbeitswicklung und eine Erregerwicklung, wobei die
n Erregerwicklungen vom gleichen Erregerstrom durchflossen werden. In
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Reluktanzgenerators können auch die Erregerwicklungen mehrerer
oder aller zu einer Ausgangsphase gehörenden Teilphasen
zu einer Wicklung zusammengefesst werden.
- – Der Erregerstrom für jede Phase der Ausgangsspannung
ist ein Wechselstrom, synchron zu dieser Ausgangsspannung. Damit
werden die n phasenverschobenen Ausgangsströme der Teilphasen
mit dem Erregerstrom amplitudenmoduliert.
- – An jeder der n Arbeitswicklungen einer Phase der
Ausgangsspannung ist je eine Anode eines Gleichrichters für
die positive Halbwelle der Netzspannung und je eine Katode eines
Gleichrichters für die negative Halbwelle der Netzspannung
angeschlossen. Die n Katoden und die n Anoden sind in je einem Knotenpunkt
zusammengeführt. Von diesen beiden Knotenpunkten führt
je ein Leistungsschalter (Thyristor oder IGBT) an den Einspeisepunkt
der zugehörigen Phase ins Netz. Diese Schalter werden synchron
mit der Netzspannung der betreffenden Phase geschaltet.
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An
Hand eines Ausführungsbeispiels sollen mit Hilfe der Zeichnungen
1...4 die Zusammenhänge näher erläutert
werden.
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Es
zeigen:
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Bild
1: Einen Ausschnitt aus Statur und Rotor eines Reluktanzgenerators.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch auf andere
Bauformen von Reluktanzgeneratoren anwendbar ist.
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Bild
2: Die Schaltung des erfindungsgemäßen Generators
mit n = 3 Teilphasen pro Phase der Ausgangsspannung.
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Bild
3: Die Zusammensetzung des Ausgangsstromes einer Phase der Ausgangsspannung aus
den Strömen I1...I3 der n Teilphasen bei n = 3 für eine
Periode der Netzspannung.
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Bild
4: Den Regelkreis für den Erregerstrom für eine
Phase der Ausgangsspannung.
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Bild
5a: Den zeitlichen Verlauf der Erregerspannung und den Erregerstrom
einer Teilphase.
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Bild
5b: Den zeitlichen Verlauf der Erregerspannung einer Teilphase bei
Kurzschluß der Teilphase während der Zeit tk.
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Bild
6: Magnetisierungskennlinienfeld für eine Teilphase
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Bild
7a: Bipolare Schalter S für Kurzschluss der Teilphasen
und Serienresonanzkreis für den Erregerstrom für
Phase T.
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Bild
7b: Bipolare Schalter S an Hilfserregerspannung UH.
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In
Bild 1 sind die Polpaare mit den Arbeitswicklungen 3, 4, 5 der
zu einer Phase der Ausgangsspannung gehörenden Teilphasen
gezeigt. Der Winkelversatz der Polpaare zueinander ist m × Tz + s mit s
= Tz/n , wobei m eine ganze Zahl ist. Die Erregerwicklungen 6 aller
zu einer Phase der Ausgangsspannung gehörenden Teilphasen
werden vom gleichen Strom durchflossen.
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In
Bild 2 sind die Verbindungen der Arbeitswicklungen 3R, 4R, 5R...3T, 4T, 5T des
Generators mit den Phasen des einzuspeisenden Netzes gezeigt. Die
Ventile 8R, 8S, 8T sind jeweils während
der positiven Halbwelle der zugehörigen Phasen R, S, T geöffnet,
die Ventile 9R, 9S, 9T während
der negativen Halbwellen. Da die Umschaltung im Strom- und Spannungsminimum
erfolgt, ergeben sich niedrige Kommutierungsverluste. Die Stromsensoren 10R, 10S, 10T dienen
der Regelung des abzugebenden Stromes sowie der im weiteren beschriebenen
Verringerung des Oberwellengehaltes des abzugebenden Stromes. Zur
Beseitigung der aus der in Bild 3 gezeigten Zusammensetzung des
Ausgangsstromes einer Phase der Ausgangsspannung aus den Strömen
der Teilphasen resultierenden Restwelligkeit können Filter 11R, 11S, 11T vorgesehen
werden.
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In
Bild 3 bedeuten:
Un die Netzspannung der zugehörigen
Phase des einzuspeisenden Netzes, I1, I2, I3 die Ausgangsströme
der Teilphasen der zugehörigen Phase der Ausgangsspannung.
Die Polarität dieser Teilströme wird durch die
Polarität des Erregerstromes bestimmt. Ia ist die Summe
dieser Teilströme, die ins Netz eingespeist wird.
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Zwischen
dem Erregerstrom für jede Phase der Ausgangsspannung und
den Strömen der Teilphasen besteht ein nichtlinearer Zusammenhang, der
bei sinusförmigem Erregerstrom zu einem oberwellenbehafteten
Ausgangsstrom führt. Eine Möglichkeit zur Beseitigung
dieser Oberwellen zeigt Bild 4. Dem Regler 14 wird ein
sinusförmiger Erregerstrom-Sollwert zugeführt,
der synchron zur zugehörigen Phasenspannung des einzuspeisenden
Netzes ist (in Bild 4 für die Phase R gezeigt) und dessen
Amplitude mit der Größe des abzugebenden Stromes korrespondiert.
Im Fourieranalysator 13 wird der durch den Stromsensor 10 gemessene
Strom einer Fourieranalyse unterzogen und die ermittelten Oberwellenkomponenten
werden im Regler 14 dem Erregerstrom-Sollwert so überlagert,
dass ein weitgehend oberwellenfreier Ausgangsstrom entsteht. Im allgemeinen
ist diese Maßnahme nur für niedrige Ordnungen
(m < 6...8) der
Oberwellen notwendig. Die aus der in Bild 3 beschriebenen Zusammensetzung
des Ausgangsstromes aus den Strömen der Teilphasen resultierende
Restwelligkeit kann auf diese Weise nicht kompensiert werden.
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Die
Bilder 5a und 5b zeigen einen zeitlichen Ausschnitt des Verlaufs
der Erregerspannung für eine Teilphase in Bezug auf die
Ausgangsspannung und den Erregerstrom für die zugehörige
Ausgangsphase.
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Bild
6 zeigt das Magnetisierungskennlinienfeld für eine Teilphase,
in das zwei Φ/i-Zustandskurven für einen hohen
Momentanwert (1) und einen niedrigen Momentanwert (2) des Erregerstromes
eingezeichnet sind.
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Die
Periodendauer der Erregerspannung einer Teilphase ist tp
= 1/z × nrot, sie entspricht dem Durchlauf der Φ/i-Zustandskurve in
Bild 6. Der arithmetische Mittelwert der Erregerspannung ist ein
Maß für die über die Erregerwicklungen
umzusetzende Leistung. Je nach Größe der zwischen
den Punkten a und b bzw. b und a aufgespannten Spannungs-Zeitflächen
muss über die Erregerwicklungen Leistung zu- oder abgeführt
werden. Die durch die Φ/i-Zustandskurve eingeschlossene
Fläche ist ein Maß für die abgegebene
Energie.
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Eine
Möglichkeit zur Effizienzsteigerung und zur Minimierung
der Erregerleistung ist in den Bildern 6, 7 und 5b gezeigt. An jeder
Ausgangswicklung der Teilphasen wird, wie in bild 7 gezeigt, ein
bipolarer Schalter S angeschlossen, der nach dem Durchlaufen des
Zustandes der Überdeckung der Stator- und Rotorzähne
(Punkt b in den Bildern 5a, 5b und 6) der betreffenden Teilphase
für eine vorbestimmte Zeit tk = α/360° × z × nrot die
betreffende Wicklung kurzschließt, wobei α < 180° ist.
Die daraus resultierende Veränderung der Φ/i-Zustandskurve
(3) ist in Bild 6 zu sehen. In Bild 5b ist zugehörige Erregerspannung
der betreffenden Wicklung dargestellt. Mit der Variation der Zeit
tk kann, wie ersichtlich, der Zeitliche Mittelwert der Erregerspannung
und damit die Erregerleistung minimiert werden. Weiterhin kann,
wenn der Zeit tk eine vom Ergebnis der Fourieranalyse abhängige
Komponente überlagert wird, auf diese Weise ebenfalls eine Oberwellenkompensation
vorgenommen werden. Die Erregerströme enthalten in diesem
Fall keine Oberwellen, so dass ihr Blindleistungsanteil einem Resonanzkreis
(L und C in Bild 7a) entnommen werden kann, wodurch die Wechselrichter
für die Erregerströme nur für eine im
Vergleich zur Gesamtleistung des Generators sehr kleine Leistung
ausgelegt werden müssen.
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Diese
Methode der Effizienzsteigerung kann auch bei an sich bekannten
Reluktanzgeneratoren, die in ein Gleichspannungsnetz oder in einen
Gleichspannungszwischenkreis einspeisen mit Vorteil angewendet werden.
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Eine
weitere Effizienzsteigerung ergibt sich, wenn wie im Bild 7b gezeigt,
der bipolare Schalter S die Ausgangswicklung der betreffenden Teilphase während
der Zeit tk nicht kurzschließt, sondern an eine Hilfserregerspannung
UH legt, die ein Bruchteil der Ausgangsspannung Un der zugehörigen
Hauptphase und zu dieser invers ist Die zugehörige Φ/i-Zustandskurve
(4) ist ebenfalls in Bild 6 zu sehen.
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Diese
Methode der Effizienzsteigerung kann ebenfalls auch bei Reluktanzgeneratoren
für Gleichspannung vorteilhaft angewendet werden.
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Die
Variation der Zeit tk kann auch in der Weise zur Generierung eines
oberwellenarmen Ausgangsstromes verwendet werden, dass in einem Speicher
die Werte für tk in Abhängigkeit von Drehwinkel,
Drehzahl und Amplitude des Erregerstromes in Form eines Kennfeldes,
welches für den jeweiligen Betriebszustand den kleinsten
Qberwellenanteil ergibt, abgelegt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Stator
- 3,
4, 5
- Polpaare
der Teilphasen mit Arbeitswicklungen
- 6
- Erregerwicklungen
einer Teilphase
- 7
- Stromsensoren
- 7.3
- der
Teilphase 3
- 7.4
- der
Teilphase 4
- 7.5
- der
Teilphase 5
- 8R,
8S, 8T
- Schalter
für die Netzaufschaltung der positiven Halbwellen der Ausgangsströme
auf die Netzphasen R, S, T.
- 9R,
9S, 9T
- Schalter
für die Netzaufschaltung der negativen Halbellen der Ausgangsströme
auf die Netzphasen R, S, T.
- 10R,
10S, 10T
- Stromsensoren
für die ins Netz eingespeisten Ströme der Phasen R,
S, T.
- 11R,
11S, 11T
- Filter
zur Beseitigung der Restwelligkeit für die Phasen R, S,
T
- 12
- gesamter
Generator.
- 13
- Fourier-Analysator.
- 14
- Regler
für den Erregerstrom einer Phase.
- 15
- Stromkomparatorder
Teilphase 3der Teilphase 4der Teilphase 5.
- I3
- Teilstrom
der Teilphase 3.
- I4
- Teilstrom
der Teilphase 4.
- I5
- Teilstrom
der Teilphase 5.
- Ie
- Erregerstrom
einer Phase.
- Ue
- Erregerspannung
einer Phase.
- Ia
- Ausgangsstrom
für eine Phase.
- Un
- Netzspannung
einer Phase.
- UH
- Hilfserregerspannung.
- n
- Anzahl
der Teilphasen pro Phase der Ausgangsspannung.
- s
- Winkelversatz
der Polpaare zweier aufeinanderfolgender Teilphasen.
- Tz
- Zahnteilung.
- z
- Rotorzähnezahl
- tp
- Periodendauer
einer Teilphase
- nrot
- Rotordrehzahl
pro Sekunde
- S
- Bipolare
Schalter
- tk
- Einschaltzeit
der bipolaren Schalter
- WR
- Wechselrichter
für die Erregerströme.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2006/103159 [0002]
- - DE 4314290 [0005]
- - AT 295644 [0005]
- - DE 2832165 [0005]
- - DE 1538934 [0005, 0005, 0005]
- - EP 1717947 [0005, 0005]
- - WO 01/43273 [0005]
- - WO 01/49273 [0005]
