DE1094346B - Elektrische Generatoranordnung mit konstanter Frequenz - Google Patents

Elektrische Generatoranordnung mit konstanter Frequenz

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DE1094346B
DE1094346B DEH36633A DEH0036633A DE1094346B DE 1094346 B DE1094346 B DE 1094346B DE H36633 A DEH36633 A DE H36633A DE H0036633 A DEH0036633 A DE H0036633A DE 1094346 B DE1094346 B DE 1094346B
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Germany
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frequency
rotor
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generator
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Pending
Application number
DEH36633A
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English (en)
Inventor
Hans Beusse
Georg Schukat
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Hamburger Flugzeugbau GmbH
Original Assignee
Hamburger Flugzeugbau GmbH
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Publication date
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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/42Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output to obtain desired frequency without varying speed of the generator

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Description

  • Elektrische Generatoranordnung mit konstanter Frequenz Die Erfindung betrifft eine elektrische Generatoranordnung zur Erzeugung einer konstanten Ausgangsfrequenz bei veränderlicher, durch ein gekoppeltes Triebwerk erzwungener Antriebszahl.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (7)

  1. PATENTANSPROCHE: 1. Elektrische Generatoranordnung zur Erzeugung einer konstanten Ausgangsfrequenz bei veränderlicher, durch ein gekoppeltes Triebwerk erzwungener Antriebsdrehzahl mit einer Hauptmaschine, welche aus zwei Teilen mit je einer Feld- und Rotorwicklung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß in der die Ausgangsfrequenz erzeugenden Hauptmaschine (H) die die Feldwicklung des zweiten Teiles speisende Wechselspannung gegenüber der die Feldwicklung des ersten Teiles speisenden Wechselspannung eine Phasenvoreilung um 2s/2 aufweist und die die Wechselfelder der Feldwicklungen schneidenden Rotorwicklungen um 90° räumlich zueinander versetzt sind.
  2. 2. Generatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldwicklungen mit ihren Wechselfeldern rotieren und die Rotorwicklungen auf dem Stator angeordnet sind und daß von den hintereinandergeschalteten Rotorwicklungen auf dem Stator die gewünschte Ausgangsspannung mit konstanter Frequenz (coeonst) entnommen wird.
  3. 3. Generatoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsfrequenz (cooonst) gleich der in den Rotorwicklungen erzeugten Rotorfrequenz (corot) abzüglich der die Feldwicklungen erregenden Frequenz (a)trans) ist und wobei das Verhältnis von Erregerfrequenz (cotrans) zur Rotorfrequenz (turnt) kleiner als Eins ist.
  4. 4. Generatoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerfrequenz (cotrans) von einer mit der Hauptmaschine (H) gekoppelten Erregermaschine (E) erzeugt wird.
  5. 5. Generatoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregermaschine (E) aus einem mit der Hauptmaschine umlaufenden Rotor (3) und aus Permanentmagneten (4), welche gleichsinnig mit dem Rotor mit einer der Ausgangsfrequenz (a)oonst) entsprechenden Drehzahl von einem Hilfsantrieb (HA), z. B. über ein Zahnradgetriebe (6), angetrieben werden, besteht.
  6. 6. Generatoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregermaschine (E) aus einem umlaufenden Rotor (11) und einem in einem festen Stator (8) umlaufenden Magnetfeld (10), welches durch einen Hilfsantrieb (HA) mit der Ausgangsfrequenz (coconst) erregt wird, besteht.
  7. 7. Generatoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Phasenangleich mehrerer Generatoranordnungen der Stator (8) mit dem umlaufenden Magnetfeld (10) konzentrisch verstellt wird.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010021093A1 (de) * 2010-05-14 2011-11-17 Reiner Mario Maßlich Differential - Synchron - Erregermaschinen Generator
DE102012010752A1 (de) * 2012-05-31 2013-12-05 Daimler Ag Elektrische Maschine und Verfahren zum Erregen einer elektrischen Maschine

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010021093A1 (de) * 2010-05-14 2011-11-17 Reiner Mario Maßlich Differential - Synchron - Erregermaschinen Generator
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