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Elektrische Generatoranordnung mit konstanter Frequenz Die Erfindung
betrifft eine elektrische Generatoranordnung zur Erzeugung einer konstanten Ausgangsfrequenz
bei veränderlicher, durch ein gekoppeltes Triebwerk erzwungener Antriebszahl.
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In dem deutschen Patent 893 073 wird bereits eine solche Anordnung
beschrieben, bei der eine Hilfsmaschine als Taktgeber für die verlangte konstante
Ausgangsfrequenz den Stator einer Induktionsmaschine speist, deren Rotor mit dem
Rotor einer zweiten Induktionsmaschine starr gekoppelt ist und von einem Antriebsmotor
mit veränderlicher Drehzahl angetrieben wird, während die Rotorwicklung der zweiten
Maschine mit umgekehrter Phasenfolge an die Rotorwicklung der ersten Maschine angeschlossen
ist und die Generatorleistung der Statorwicklung der zweiten Maschine entnommen
wird, die mit einer Rückkopplungswicklung im Stator der ersten Maschine verbunden
ist. In der Statorwicklung der zweiten Maschine sollen durch diese bekannte Anordnung
Spannungen induziert werden, deren Frequenz gleich ist der Summe von Taktgeberfrequenz
und Rotationsfrequenz abzüglich der Rotationsfrequenz, d. h. gleich der Taktgeberfrequenz.
Daß diese Wirkungen, auf die sich die Erfindung stützt, auch bei einphasiger Anordnung
eintreten, wird in der Patentschrift nur behauptet, aber durch keinen physikalischen
oder mathematischen Nachweis begründet. Der Anwendungsbereich dieser Anordnung dürfte
außerdem stark eingeschränkt sein durch das ungünstige Betriebsverhalten von Asynchrongeneratoren
bei Drehzahlen, die verhältnismäßig hoch über der Synchrondrehzahl liegen.
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Die Erfindung beschreitet einen anderen Weg zur Lösung der gestellten
Aufgabe mit Hilfe einer Generatoranordnung mit einer Hauptmaschine, welche aus zwei
Teilen mit je einer Feld- und Rotorwicklung besteht und dadurch gekennzeichnet ist,
daß in der die Ausgangsfrequenz erzeugenden Hauptmaschine die die Feldwicklung des
zweiten Teiles speisende Wechselspannung gegenüber der die Feldwicklung des ersten
Teiles speisenden Wechselspannung eine Phasenvoreilung von n/2 aufweist und die
die Wechselfelder der Feldwicklungen schneidenden Rotorwicklungen um 90° räumlich
zueinander versetzt sind.
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Nach weiterer Ausbildung der Erfindung wird die gleiche Wirkung dadurch
erzielt, daß die Feldwicklungen mit ihren Wechselfeldern rotieren und die Rotorwickliingen
auf dem Stator angeordnet sind und daß von den hintereinandergeschalteten Rotorwicklungen
die gewünschte Ausgangsspannung mit konstanter Frequenz entnommen wird.
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Figuren für eine einphasige
Wechselstromanordnung erläutert. Ebensogut läßt sie sich auch auf mehrphasige Anordnungen
anwenden. In der Fig. 1 ist als Ausgangsüberlegung die Drehung einer Wicklung im
homogenen Magnetfeld mit konstanter Winkelgeschwindigkeit gezeigt. Es ist U=Cd0(coso)t)/dt=-C0cosincot
(1)
die Leerlaufspannung eines normalen Synchrongenerators. Statt mit Gleichstrom
sollen die Feldwicklungen mit einem Wechselstrom, dessen Frequenz einen Phasenwinkel
e in bezug auf die Kreisfrequenz co aufweist, gespeist werden. Das wechselstromerregte
Feld & soll eine Kreisfrequenz n # co haben. Das Magnetfeld wird somit o _ (cos
[n co t + e]) und die erzeugte Spannung: U = Cd0 (cos [ncot
+ e]) (cos co t)/dt. (2)
Zur Auflösung dieser Gleichung wird gesetzt: [n co
t -f- e] = a
cot=ß. Führt man weiter für a = (y -[- 2 und für ß _ (y
- e) / 2 ein, so gilt die bekannte Beziehung:
Aus den Gleichungen a = (y+e) /2 und ß = (y-@@) /2
folgt für y = a + ß und
für Q = a-ß; man kann damit schreiben
Eingesetzt in Gleichung 2 und differenziert ergibt sich:
Nach Gleichung 3 entstehen am Ausgang zwei Spannungen mit den Frequenzen
co (n + 1) und co (n -1),
welche sich gegenseitig überlagern.
Für eine Nutzanwendung muß natürlich nur eine Ausgangsfrequenz gefordert werden.
Zur Unterdrückung einer der beiden Ausgangsfrequenzen werden zwei Generatoren gekoppelt.
Die Wicklung des zweiten Generators wird um z/2 im Uhrzeigersinn gegen die Wicklung
des ersten Generators gedreht und die Anordnung auf eine gemeinsame Welle gesetzt.
Das Feld 02 erhält außerdem eine zeitliche Phasenvoreilung von n/2. In der Fig.2
ist diese Anordnung zur besseren Anschaulichkeit in einer Ebene dargestellt. Die
Ausgangsleitungen der beiden Wicklungsteile werden durch Hintereinanderschaltung
verbunden. Für den Generator 2 gelten die Gleichungen _ 0 (cos [n c)
t + ir/2 + ] ) _ - 0 (sin [n co t + ] )
U = C d &
(sin [n co t + e]) (sin co t) / d t ; (4)
unter Benutzung der
bisherigen Substitutionen und der Beziehung
ergibt sich:
Eingesetzt in Gleichung 4 und differenziert folgt:
Addiert man die Ausgangsspannungen von Generator 1 und Generator 2 so erhält man
die Summe der Gleichungen 3 und 5: U = - C co (n - i ) «in
[(n -1) co t +] . (6) Dieses ergibt eine Subtraktion der beiden Spannungsanteile
aus Dreh- und Feldfrequenz. Man erkennt, daß wunschgemäß nur eine Ausgangsfrequenz
entsteht. Bei einer Vertauschung der Verbindung beider Wicklungen wird die erzeugte
Spannung: U = - C & co (n + 1) sin [(n + 1) Co t
+ e]. (7)
Es ergibt sich eine »Additionsschaltung«, bei der auch nur
eine Ausgangsfrequenz co (n + 1) entsteht. Welche der beiden Fälle, ob »Subtraktion«
oder »Addition« der Ausgangsspannungen, angewendet wird, muß von Fall zu Fall untersucht
werden. Beide Anordnungen sind erfindungsgemäß theoretisch möglich. In der weiteren
Beschreibung soll die »Subtraktionss-Schaltung der Spannungsanteile näher erläutert
werden. Gleichung 6 wird zweckmäßig umgeformt in: U = C#ßco (1 -n) sin
[(n -1) cot + e]. (6a) Hierin ist die Ausgangsfrequenz co
(1 - n) = co - nco. Es zeigt sich also, daß sich die Ausgangsfrequenz,
welche zur Erfüllung der erfindungsgemäßen Aufgabe stets konstant sein muß, aus
der Drehfrequenz der Rotorwicklung c) und der Erregerfrequenz der Feldwicklungen
nao zusammensetzt. In der weiteren Beschreibung soll die Ausgangsfrequenz mit coconat,
die Drehfrequenz mit Wrot und die Erregerfrequenz wegen ihrer transformatorischen
Wirkung mit wtrans bezeichnet werden. Es gelten somit die Beziehungen @conat
= Brot - @trana und
Für eine praktische Verwendung dürfte der Fall n < 1 von Interesse sein.
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Nachdem die Erfindung bisher theoretisch erläutert und bewiesen wurde,
soll in der weiteren Beschreibung, entsprechend einer möglichen praktischen Ausführung,
die Anordnung der Wicklungen so gewählt werden, daß die Feldwicklungen der beiden
Generatoren auf dem Läufer aufgebracht sind und die Rotorwicklungen auf die Statoren
der Generatoren verlegt werden. Dadurch ändert sich in der Wirkungsweise der Anordnung
nichts, denn die Relativbewegungen beider Wicklungen - der Feldwicklungen und der
Rotorwicklungen - bleiben bei beiden Generatoren gleich. Weiterhin wird man zweckmäßig
die beiden Generatoren zu einer Einheit in einem gemeinsamen Gehäuse zusammenfassen.
Diese Generatorkonstruktion soll in der weiteren Beschreibung zur Unterscheidung
gegenüber anderen, z. B. Hilfsgeneratoren mit Hauptgenerator bezeichnet werden.
Dabei müssen entsprechend der vorstehend ermittelten Beziehungen die Feldwicklungen
des Hauptgenerators mit der Frequenz a)trans erregt werden. Das dadurch entstehende
Feld wird von den Rotorwicklungen mit der Frequenz corot geschnitten. Die induzierte
Spannung mit der Frequenz Coconst muß in geeigneter Weise abgegriffen werden.
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In der Fig. 3 ist eine solche Anordnung schematisch dargestellt. Ein
Hauptgenerator H ist mit einem Triebwerk T gekoppelt, so daß sein Rotor mit der
veränderlichen Triebwerksdrehzahl «)rot angetrieben wird. Die Feldwicklungen des
Hauptgenerators werden von einer Erregermaschine E mit der Frequenz cotrans erregt.
Die Erregermaschine wird von einem Hilfsantrieb HA mit wconst angetrieben.
Am Hauptgenerator H wird die Differenzfrequenz coconst abgegriffen und über
einen Spannungsregler R, der auf die Erregermaschine E einwirkt, dem Verbrauchernetz,
z. B. einem Bordnetz in Flugzeugen, zugeführt.
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In den Fig. 4 und 5 sind zwei denkbare Ausführungsformen für die Generatoranordnung
vereinfacht gezeigt. Die Hauptgeneratoren H werden über Zahnräder l von nicht dargestellten
Triebwerken mit der Winkelgeschwindigkeit wrot angetrieben. Nach Fig. 4 wird dadurch
ein Rotor 2 gedreht, auf dem die Feldwicklungen 2 a und 2 b,
welche
erfindungsgemäß um 90° zueinander phasenverschobene Magnetfelder erzeugen, aufgebracht
sind. Die Frequenz cotran" mit der die Feldwicklungen 2a und 2b erregt
werden, wird in der mit dem Hauptgenerator H
starr umlaufenden Erregermaschine
E erzeugt. Der Erregerrotor 3, der zur leichten Spannungsregelung, beispielsweise
durch eine Luftspaltänderung, konisch ausgeführt ist, trägt die Wicklungen, und
der »Stators 4 enthält die Pole mit den Permanentmagneten. Der »Stator«
4 wird im gleichen Drehsinn wie der Rotor 3
von einem Hilfsantrieb
HA mit der verlangten Ausgangsfrequenz coconst angetrieben. Die Erregerfrequenz
für die Feldwicklungen 2a und 2b ist dann immer «)trans
= Brot - (Oconat.
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Der Hilfsantrieb HA besteht beispielsweise aus einem Hydraulikmotor
5, der mit konstanter Drehzahl coconst läuft und über ein Zahnrad 6 den »Statora
4 treibt. In den Rotorwicklungen 7a und 7b, die auf dem Stator des Hauptgenerators
H gewickelt und jeweils den entsprechenden Feldwicklungen 2 a und
2 b zugeordnet sind, entsteht wieder die resultierende Frequenz coconat,
mit der der »Stator« 4 der Erregermaschine E angetrieben wurde. Ein Nachteil der
beschriebenen Anordnung ist der verhältnismäßig große mechanische Aufwand des Hilfsantriebs
HA, wenn mehrere Generatoranordnungen mit
gleiches Phase
parallel geschaltet werden sollen. Dann muß de Antrieb des »Stators« 4 z. B. über
ein Differentialgetriebi erfolgen, um den Phasenangleich zu erreichen. Ferner muß
ein elektrisches Synchronübertragungssystemalle Hilfsantriebe HA in Gleichlauf
halten.
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In dtn Beispiel der Fig. 5 ist eine vereinfachte Anordnurr des Hilfsantriebes
HA und des Erregers E dargestellt In dem Erreger ist das umlaufende Permanentmagnetystem
4 nach Fig. 4 ersetzt durch ein elektromagnetsches System mit dem Stator 8, das,
gespeist durch inen Hilfsgenerator 9, ein drehendes Magnetfeld von de Frequenz ooeonst
erzeugt, ohne selbst umlaufen zu missen. ' Der Hilfsgenerator 9 wird durch einen
Hydra*kmotor 10 mechanisch mit konstanter, der Freque:z entsprechender Drehzahl
angetrieben. Der Rotor 1 des Erregers E ist starr mit dem Hauptgenerabr H
verbunden und dreht sich mit der Winkelgeschwadigkeit wrot. In dem Erreger E werden
durch Misehug der beiden Frequenzen coconst und corot die den Feldspulen 12 a und
12 b auf dem Rotor des Hauptgenerabrs H zugeleiteten Frequenzen cotrans erzeugt.
Zur ELielung der zeitlichen Phasenverschiebung von 2t12, m: der - zur Erzeugung
der Ausgangsspannung von kostanter Frequenz - die Spannungen in den Feldwickluxjen
12a und 12b auftreten müssen, sind auf dem Rotor :es Erregers E zwei um 90° räumlich
versetzte Spulen.l a und 11b angeordnet. Die Wicklungspaare 13a
un 13b auf dem Stator des Hauptgenerators H sind zur Enelung der erfindungsgemäßen
Wirkung ebenfalls um 904zueinander gedreht und außerdem räumlich versetzt ageordnet.
In der dargestellten Anordnung sind diese Mcklungen 13a und 13b stark zusammengedrängt
gezeigt um damit ihre gegenseitige Versetzung um 90° besser u veranschaulichen.
In dem Hauptgenerator H wird scnit durch das Zusammenwirken zwischen Feld-und RCorwicklungen
eine Frequenz eliminiert und nur die geenschte Frequenz coconst erzeugt, die den
Verbrauchrn zugeleitet wird. Zur Angleichung der Phasen mehrerr Generatoranordnungen,
die auf dasselbe Netz arbeite: sollen, wird der Stator 8 der Erregermaschine E mit
des Elektromagnetsystem lediglich um einen gewissen finkel verdreht. Zu diesem Zweck
ist an dem Erreger& ein Hebelarm 14 vorgesehen, an dem beispielsweise ei Verstellmotor
angreift.
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In dr Fig. 6 ist das Schema der Zusammenschaltung von zei Generatoranordnungen
gezeigt. Die hauptsächlickten Teile sind bereits bei der Beschreibung der vorangnenden
Figuren erläutert worden. Den TriebwerkenrA und TB sind Fliehkraftregler
FA und FB zugeoraet, welche bei der Erreichung einer festzulegenden Miimaldrehzahl
von co"t einen Stromkreis über ein Relais : schließen. Das Relais S verbindet dann
mit einem _ontakt s die Verbraucherstromkreise der beiden Haupt@neratoren
HA und HB. Die beiden ErregermaschiBn EA und EB werden von einem gemeinsamen
Hilfsgeerator HG mit der konstanten Magnetfeldfrequenz coconst versorgt und
durch ein Phasenmeßgerät P auf ihre Phasengleichheit kontrolliert. Das Phasenmeßgerät
P wirkt über Verstelhnotore VA und VB auf die Hebelarme der Erregermaschinen
EA und EB ein.