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Anlage zur Erzeugung eines Wechselstromes konstanter Frequenz Die
Erfindung betrifft Anlagen zur Erzeugung eines Wechselstromes konstanter Frequenz.
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Bei gewöhnlichen Wechselstrom-Generatoranlagen, bei denen ein Wechselstromgenerator
durch einen Motor oder einen sonstigen Antrieb angetrieben wird, hängt die Frequenz
des Ausgangswechselstromes des Generators von der Antriebsdrehzahl ab.
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Demgemäß besteht eine Möglichkeit der Frequenzkonstanthaltung solcher
Generatoranlagen darin, die Antriebsdrehzahl selbst zu regeln. Es hat sich jedoch
ergeben, daß kleine Änderungen der Generatordrehzahl und somit der Ausgangsfrequenz
auf diesem Wege nicht vermieden werden können.
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Ein anderes Verfahren zur Frequenzkonstanthaltung beruht darauf, daß
man die Feldwicklung eines Amplidyn- oder Metadyn-Generators mit einem von einem
Taktgeber konstanter Frequenz gelieferten Erregerstrom erregt.
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Nach einem anderen Vorschlag wurden ein Haupt-und ein Hilfsgenerator
mit mechanisch miteinander gekuppelten Rotoren verwendet. Beide Generatoren haben
Dreiphasenstator- und Rotorwicklungen, wobei die Rotorwicklung des Hilfsgenerators
die Rotorwicklung des Hauptgenerators speist. Eine dreiphasige Taktgeberspannung
der gewünschten Frequenz wird den Statorwicklungen des Hilfsgenerators zugeführt,
wodurch in diesem ein Drehfeld erzeugt wird. Dieses Feld erzeugt Ströme in der Hilfsrotorwicklung,
die in dem Hauptrotor ein Feld erzeugen, das, während es gegenüber dem Rotor mit
der Differenz der Drehzahlen zwischen derjenigen des Hilfsgenerator-Statorfeldes
und derjenigen der Rotoren umläuft, gegenüber dem Hauptgeneratorstator mit der Drehzahl
des Hilfsgenerator-Statorfeldes umläuft. Daher ist die Ausgangsfrequenz dieselbe
wie die Taktgeberfrequenz. Wenn bei der-Anlage nach diesem letzten Vorschlag die
Rotordrehzahlen der Drehzahl des Hilfsgenerator-Statorfeldes gleichen, wird keine
Spannung in der Hilfsgenerator-Statorwicklung erzeugt, und der Ausgangsstrom der
Anlage ist Null. Dies ist ein schwerwiegender Nachteil dieser Anordnung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Konstanthaltung
der Frequenz des von einem Wechselstromgenerator erzeugten Stromes zu schaffen,
welche die obengenannten Nachteile vermeidet. Sie betrifft insbesondere eine Anlage
zur Erzeugung eines Wechselstromes konstanter Frequenz mit einem nach Art einer
mehrphasigen Asynchronmaschine aufgebauten Hauptgenerator, einem den Generator mit
angenäherter Solldrehzahl antreibenden Antriebsmotor, einem Taktgeber, der die Sollfrequenz
des von der Anlage erzeugten Wechselstromes vorschreibt, sowie mit einer Vorrichtung
zum Vergleich der der tatsächlichen Drehzahl des Generators entsprechenden Istfrequenz
mit der Sollfrequenz.
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Zur Vermeidung der genannten Nachteile wird eine derartigeAnlage gemäß
der Erfindung so ausgebildet, daß der aus der Vergleichsvorrichtung entnommene Strom,
dessen Frequenz die Differenz zwischen Soll-und Istfrequenz ist, zur Erregung der
mehrphasigen Statorwicklung des Hauptgenerators dient.
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Durch die gemäß der Erfindung vorgeschlagene Maßnahme, den Stator
statt wie bei den bekannten Anordnungen den Rotor des Hauptgenerators durch die
von der Vergleichsvorrichtung gelieferte Ausgangsgröße mit der Differenzfrequenz
zu erregen, wird der -entscheidende Vorteil erzielt, daß die Anlage auch bei synchronem
Umlauf des Rotors mit der Taktgeberfrequenz eine Spannung mit der Taktgeberfrequenz
erzeugt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Vergleichsvorrichtung einen mit der Rotordrehzahl des Hauptgenerators 1
(Fig. 1) angetriebenen Hilfsgenerator 5 aufweist, dessen Wechselspannung eine der
Istrotordrehzahl oder einem Vielfachen hiervon entsprechende Frequenz hat und einem
mit der Taktgeberspannung gespeisten Modulator 6 zugeführt wird, der eine Ausgangsgröße
mit der Differenzfrequenz zwischen der Frequenz der Hilfsgeneratorspannung und der
Taktgeberspannung bildet, die nach Verstärkung 7 der
mehrphasigen
Statorwicklüng des Hauptgenerators zugeführt wird.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Vergleichsvorrichtung
einen synchron mit dem Rotor des Hauptgenerators angetriebenen 'Kommutator 12, 13;
14, 15 (Fig. 2) aufweist, welcher mit der Taktgeberspannung gespeist wird und aus
dieser eine oder mehrere Ausgangsgrößen bildet, -deren jede eine komplexe Welle
darstellt, welche im Falle des Synchronismus zwischen Rotor bzw. Kommutator undTaktgeberfrequenz
eine Gleichstromkomponente aufweist;=deren Richtung und Größe von der Phasenbeziehung
zwischen der Kommutation und der Taktgeberfrequenz -abhängen, im Falle des Asynchronismus
zwischen der Kommutation und der Taktgeberfrequenz jedoch eine Wechselstromkomponente
mit der Differenzfrequenz enthält, die in einer Vorrichtung 22 aus der bzw. den
Kommutatorausgangsgröße bzw. -großen ausgefiltert und der Statorwieklung 2 des Hauptgenerators
1 zugeführt wird.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Vergleichsvorrichtung einen Hilfsgenerator 23 (Fig. 3) aufweist, dessen
synchron mit dem Hauptgene rätorrotor 3 angetriebener Rotor von den Mehrphasenströmen
des Taktgebers erregt wird, wobei die am Kommutator 25 mittels fester Bürsten 27
abgenommene Mehrphasenausgangsgröße der Statorwicklung2 -des Hauptgenerators zugeführt
wird.
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Schließlich besteht eine Ausführungsform der Erfindung darin, daß
die Vergleichsvorrichtung einen mit der Taktgeberfrequenz erregten Mehrphasentransformator
24z und einen mit entsprechenden Anzapfungen derTransformatorwicklungen verbundenen
stationären Kommutator25d auf-,veist, an dem mittels mit der Drehzahl des Hauptgeneratorrotors
umlaufender Bürsten 27d die Ausgangsgröße mit der Differenzfrequenz abgenommen.
und über Schleifringe 28 der Statorwicklung des Hauptgenerators zugeführt wird.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung von vier Ausführungsbeispielen einer gemäß der Erfindung
ausgebildeten Anlage an Hand der Zeichnung. In dieser zeigt Fig. 1 eine Erzeugungsanlage
mit einer einen Zwischenmodulator enthaltenden Frequenzregelvorrichtung, Fig. 2
eine Generatoranläge mit einer einen Kommutator enthaltenden Frequenzregelvorrichtung,
Fig. 3 eine Anlage, bei- der die Frequenzregelvorrichtung einen Hilfsgenerator enthält,
dessen Rotorwicklung sowohl mitSchleifringen als auch mit einem Kommutator verbunden
ist, Fig. 4 eine Abwandlung der Ausführungsform nach Fig. 3; bei der der Hilfsgenerator
durch einen- Transformator ersetzt ist und bei der ein ortsfester Kommutator-mit
drehbaren Bürsten zusammenarbeitet.
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Wie Fig. 1 zeigt, ist ein nach Art einer Asynchronmaschine aufgebauter
Hauptgenerator 1 finit einer Dreiphasenstatorwicklung 2 und einer mit Schleifringen
4 verbundenen Rotörwicklung 3 versehen. Der Rotor wird -durch einen nicht abgebildeten
Motor mit einer' Drehzahl angetrieben, die einer gewünschten Frequenz entspricht,
die 'dann entsteht, wenn die Wicklung 2 des Stators mit Gleichstrom erregt wird.
Ein Hilfsgenerator 5, der" im Hauptgenerator untergebracht oder mit dem Hauptgenerator
mechanisch gekuppelt ist, erzeugt eine Dreiphasen-Wechselspaunung; deren Frequenz
der Rötordrehzahl des Hauptgenerators entspricht. Ferner ist eine nicht abgebildete
Quelle für eine dreiphasige Bezugswechselspannung vorgesehen, welche die gewünschte
Ausgangsfrequenz mit hoher Frequenzgenauigkeit bestimmt.
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Die Ausgangsspannung des Hilfsgenerators 5 und die Bezugsspannung
werden einem Zwischenmodulator 6 bekannter Bauart zugeführt, der die beiden Spannungen
miteinander moduliert und die Schwebungsfrequenz entnimmt. Die Sehwebungsfrequenz
wird im Verstärker 7 verstärkt, und die Ausgangsgröße des Verstärkers wird den Mehrphasen-Statorwicklungen
2 in der Weise zugeführt, daß ein drehendes Erregerfeld erzeugt wird. Die Drehzahl
des Erregerfeldes gleicht der Differenz zwischen der Soll= und der Istdrehzahl des
Rotors. Das Erregerfeld hat einen solchen Drehsinn, daß die Relativdrehzahl zwischen
dem Rotor und dem Erregerfeld des Hauptgenerators gleich der Istdrehzahl ist. Unter
der Wirkung des Erregerfeldes auf die Rotorwicklung 3 des Hauptgenerators entsteht
dann eine Ausgangsgröße der gewünschten Frequenz.
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Dies geht deutlicher aus den Ausgangskurven der Fig. 1 hervor. Unter
der Annahme, daß die Bezugsfrequenzquelle genau drei Perioden in einer gegebenen
Zeiteinheit abgibt (Kurve 8), während die Drehzahl des Haupt- und des Hilfsgenerators
so groß ist, daß der Hilfsgenerator 5 genau vier Perioden in derselben Zeit abgibt
(Kurve 9), gibt der Zwischenmodulator 6 genau eine Periode in der gegebenen Zeit
ab (Kurve 10), die nach Verstärkung im Verstärker 7
der Statorwicklung
2 zugeführt wird. Hierdurch wird ein Feld erzeugt, das gegenüber der Feldwicklung
mit der Differenzdrehzahl und gegenüber der Rotorwicklung mit der Solldrehzahl umläuft,
weshalb der Hauptgenerator genau drei Perioden in der gegebenen Zeiteinheit abgibt
(Kurve 11).
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist ein Hauptgenerator 1 in ähnlicher
Weise wie nach Fig. 1 angeordnet und weist einen auf seiner Rotorwelle angeordneten
Kommutator 12 auf. Der Kommutator enthält drei Teile 13, 14 und 15, und die Bezugsquelle
ist ein nicht abgebildeter Oszillator, der eine Dreiphasenausgangsgröße erzeugt,
Der Oszillator ist mit den Kommutatorteilen 13, 14 und 15 durch Transformatoren
16 bzw. 17 bzw. 18 gekoppelt, so daß die Kommutatorteile, wenn der Kommutator synchron
mit der Bezugsfrequenz getrieben wird (mit anderen Worten, wenn der Generator mit
der Solldrehzahl getrieben wird), Ausgangsgrößen erzeugen, deren jede eine komplexe
Welle mit einer Gleichstromkomponente ist, wobei Richtung und Größe der Komponente
von der Bezugsphase der Kommutierung und der Bezugsfrequenz abhängt. Die Kurven
19, 20 und 21 zeigen solche -komplexe Wellen für die Kommutatorteile 13, 14 und
15 für eine bestimmte Phasenbeziehung zwischen der Kommutierung und der Bezugsfrequenz.
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Wird der Kommutator asynchron gegenüber der Bezugsfrequenz angetrieben,
so ist jede Ausgangsgröße eine komplexe Welle mit einer Komponente, die mit der
Differenzfrequenz wechselt. Die Kommutatorausgangsgröße wird durch ein Filter 22,
das aus einer Anordnung von - wie abgebildet - miteinander verbundenen Drosseln
und Kondensatoren besteht, gefiltert, so daß die Gleichstromkomponente oder Differenzfreqüenzkomponente
ausgesiebt wird. Die Differenzfrequenzkomponente hat eine wesentlich niedrigere
Frequenz als die Kommutierungsfrequenz. Die gefilterte Ausgangsgröße des Kommutators,
die, falls erforderlich, durch einen in der Zeichnung
nicht dargestellten
Verstärker verstärkt werden kann, wird der Statorwicklung 2 des Generators zugeführt,
wodurch ein Erregerfeld erzeugt wird, dessen Drehzahl gegenüber dem Rotor der Solldrehzahl
gleicht.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist der Rotor eines Hilfsgenerators
auf der Welle des Hauptgenerators angebracht oder in anderer Weise so angeordnet,
daß er synchron mit dem Hauptgeneratörrotor angetrieben wird. Der Rotor des Hilfsgenerators
dreht sich innerhalb eines festen Stators und hat eine Dreiphasenwicklung 24, die
-an mit gegenseitigen Winkelabständen verteilten Punkten mit den entsprechend -angeordneten
Lamellen eines Kommutators 25 verbunden ist. Diese Verbindungen sind, damit die
Zeichnung übersichtlich bleibt, nicht abgebildet. Dreiphasenströme, welche von der
Bezugsfrequenzquelle geliefert werden, werden den Hilfsgeneratorwicklungen durch
Schleifringe 26 zugeführt, so daß ein magnetisches Feld erzeugt wird, welches-gegenüber
der Hilfsrotorwicklung 24 mit der Solldrehzahl umläuft. Daher läuft, außer wenn
Haupt- und Hilfsrotor mit der Solldrebzahl laufen, das magnetische Feld gegenüber
den Kommutatorbürsten 27 mit einer verhältnismäßig geringen Drehzahl, die der Differenz
zwischen der Soll- und der Istrotordrehzahl gleicht.
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Der Hilfsgenerator erzeugt daher dreiphasige Wechselströme, die der
Statorwicklung 2 des Hauptgenerators zugeführt werden, wodurch ein Erregerfeld erzeugt
wird, das im entsprechenden Sinne mit der Differenzdrehzahl zwischen der Soll- und
der Istdrehzahl des Hauptgeneratorrotors umläuft. Wenn die Istdrehzahl der Solldrehzahl
gleicht, erzeugt der Hilfsgenerator dreiphasige Gleichströme, die ein stationäres
Erregerfeld in der Statorwicklung 2 des Hauptgenerators erzeugen.
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Offensichtlich muß der Hilfsgenerator von solcher Bauart sein, daß
jede Relativwinkelstellung zwischen den Bürsten und dem Gleichstromfeld möglich
ist. Aus diesem Grunde muß der nicht abgebildete feste Stator mit nicht vorspringenden
Polen ausgebildet sein. Ferner kann er Kompensationswicklungen aufweisen, die mit
den Bürsten in Reihe geschaltet sind.
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Fig. 4 zeigt eine mögliche Abwandlung der Ausführungsform nach Fig.3.
Der Hilfsgenerator ist durch einen Dreiphasentransformator 24a ersetzt, welcher
durch die zugeführte Bezugsfrequenz erregt wird und dem ein feststehender Kommutator
zugeordnet ist, dessen Segmente mit mehreren nicht abgebildeten Anzapfungen der
Transformatorwicklungen entsprechend den Verbindungen zwischen der Rotorwicklung
und dem Kommutator derAusführungsform nach Fig. 3 verbunden sind. Drei Bürsten 27a
arbeiten mit dem Kommutator zusammen und laufen mit etwa derselben Drehzahl wie
der Hauptgenerator und sind mit Schleifringen 28 verbunden. Die Schleifringbürsten
sind in entsprechender Weise mit den Anschlüssen der in der Zeichnung nicht dargestellten
Feldwicklung des Hauptgenerators verbunden. Man sieht, daß die Frequenz der an den
Schleifringen auftretenden Wechselspannung von der Drehzahl der Bürsten abhängt.
Bei synchroner Drehzahl fällt diese Frequenz gegen Null ab, und es tritt eine kontinuierliche
Gleichspannung zwischen den Schleifringen 28 auf. Die Wirkung auf das Statorfeld
ist die gleiche wie bei der vorhergehenden Ausführungsform.
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Beim Betrieb der Anlage können Schwankungen der Stärke des Hauptgeneratorfeldes
auftreten, während dieses mit einer schwankenden Drehzahl in Abhängigkeit von den
Schwankungen der Rotordrehzahl umläuft. Entsprechende Schwankungen treten. dann
in der Amplitude der Generatorausgangsgröße-auf. Ferner kann eine Änderung der-
Istrotordrehzahl die Ausgangsamplitude in anderer Weise beeinflussen. Daher kann
es erwünscht sein, daß in die oben -beschriebenen Ausführungsformen Vorrichtungen
aufgenommen werden, durch die die Ausgangsamplitude selbsttätig geregelt wird. Eine
für diesen Zweck geeignete Vorrichtung enthält vorzugsweise eine bekannte Vorrichtung
zur Wahrnehmung der Amplitudenänderung der Ausgangsgröße, die bei der Abweichung
der Amplitude von einem vorbestimmten Wert ein Amplittudenfehlersignal erzeugt.
Dieses Signal wird zur Regelung des Stromes verwendet, der die Statorwicklung des
Hauptgenerators speist. Diese Regelung kann zweckmäßig dadurch ausgeführt werden,
daß das Amplitudenfehlersignal zur Regelurig der Amplitude der Bezugsspannung verwendet
wird, oder, falls ein Generator mehrphasige Bezugsspannungen erzeugt; dadurch, daß
die Erregung des Bezugsgenerators in dieser Weise geregelt wird. Auf diese Weise
werden die mehrphasigen Spannungen zur Belieferung der mehrphasigen Erregerwicklung
des Hauptgenerators gleichzeitig geregelt, wodurch eine konstante Amplitude der
Ausgangsgröße aufrechterhalten wird.