DE1206991B

DE1206991B - Alternator for constant frequency with changing drive speed with one rotating field winding in the stator and one in the rotor

Info

Publication number: DE1206991B
Application number: DEL48426A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Johannes Eichhorn; Dr-Ing Werner Droste
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1964-07-31
Filing date: 1964-07-31
Publication date: 1965-12-16
Also published as: FR1441984A

Description

Wechselstromgenerator für konstante Frequenz bei wechselnder Antriebsdrehzahl mit je einer Drehfeldwicklung im Stator und im Rotor Zur Stromversorgung von Schiffen ist es bekannt, mit der Schiffsschraubenwelle einen Wechselstromgenerator zu kuppeln. Da die Antriebsdrehzahl des Generators mit der Drehzahl der Schraubenwelle eines Schiffes schwankt, ergeben sich besondere Schwierigkeiten bei einer Regelung auf konstante Frequenz, wie sie für die Bordnetzversorgung erforderlich ist. Es ist bekannt, einen mit der Schiffsschraubenwelle gekuppelten Generator zur Speisung des Bordnetzes sowohl im Stator als auch im Rotor mit einer Drehfeldwicklung auszurüsten, von denen die eine direkt an das Bordnetz angeschlossen ist, während der anderen Drehfeldwicklung die Schlupffrequenz entnommen, gleichgerichtet und zum Antrieb eines Umformers mit einem Synchrongenerator verwendet wird, der seinerseits dann in das Bordnetz speist. Die Ausgangsfrequenz des Umformers muß zusammen mit der Drehzahl des Wellengenerators immer die Bordnetz-Nennfrequenz ergeben. Es gibt nun aber Betriebszustände, bei denen die Drehzahl des Wellengenerators ungefähr der Bordnetz-Nennfrequenz entspricht, d. h., der Umformer müßte eine sehr niedrige Frequenz, beispielsweise zwischen 0,5 und 3 Hz, liefern.Alternator for constant frequency with changing drive speed With one rotating field winding each in the stator and one in the rotor For powering ships it is known to couple an alternator to the propeller shaft. Since the drive speed of the generator with the speed of the screw shaft of a Ship fluctuates, particular difficulties arise with a regulation constant frequency as required for the on-board power supply. It is known, a generator coupled to the propeller shaft for supply to equip the vehicle electrical system with a rotating field winding in both the stator and the rotor, one of which is directly connected to the electrical system, while the other The slip frequency is taken from the rotating field winding, rectified and used for the drive a converter with a synchronous generator is used, which in turn feeds into the vehicle electrical system. The output frequency of the converter must together with the Speed of the shaft generator always result in the nominal frequency of the on-board network. There is now but operating conditions in which the speed of the shaft generator is approximately the On-board network nominal frequency, d. i.e., the converter would have to have a very low frequency, for example between 0.5 and 3 Hz.

Bisher war es üblich, die Polzahl des Asynchrongenerators so auf die Drehzahl der Schraubenwelle abzustimmen, daß in jedem Betriebsfall die Schlupfleistung nur in einer Richtung fließt, nämlich von den Schleifringen durch den Umformer zum Netz. Der Rotor des Wellengenerators läuft dann schneller als sein Drehfeld.Up to now it was common to adjust the number of poles of the asynchronous generator to the Adjust the speed of the screw shaft that the slip power in each operating case flows in one direction only, namely from the slip rings through the converter to the Network. The rotor of the wave generator then runs faster than its rotating field.

Demgegenüber wird eine andere Ausführungsart für einen Wellengenerator vorgeschlagen, die von der Erkenntnis Gebrauch macht, daß man eine Asynchronmaschine auch mit einem negativen Schlupf beaufschlagen kann, d. h., daß ein Betrieb mit umgekehrter Richtung der Schlupfenergie möglich ist.In contrast, there is another embodiment for a wave generator proposed, which makes use of the knowledge that one is an asynchronous machine can also apply a negative slip, d. that is, an establishment with reverse direction of the slip energy is possible.

Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, einen Wellengenerator so auszuführen, daß nur im oberen Wellendrehzahlbereich und bei Bordnetz-Nennfrequenz das Drehfeld der an dem Frequenzumformer angeschlossenen Wicklung, bezogen auf ein feststehendes Koordinatensystem, langsamer umläuft als der Rotor des Wellengenerators, und daß eine Regel- oder Steuereinrichtung vorgesehen ist, die die Ausgangsfrequenz des Frequenzumforrners in an sich bekannter Weise so einregelt, daß sie zusammen mit der Drehzahl des Wellengenerators die Bordnetz-:Nennfrequenz ergibt, allerdings nur so lange, wie die Ausgangsfrequenz des Umformers einen vorgegebenen absoluten Mindestwert nicht unterschreitet, und daß ferner eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, die die Regel- oder Steuereinrichtung bei Erreichen dieses Mindestwertes abschaltet und für eine konstante Ausgangsfrequenz des Umformers sorgt.According to the invention, it is therefore proposed a wave generator to be carried out in such a way that only in the upper shaft speed range and at the nominal frequency of the on-board electrical system the rotating field of the winding connected to the frequency converter, based on a fixed coordinate system, rotates more slowly than the rotor of the shaft generator, and that a regulating or control device is provided which controls the output frequency of the frequency converter regulates in a manner known per se so that they together with the speed of the shaft generator the on-board power supply: nominal frequency results, however only as long as the output frequency of the converter is a given absolute Does not fall below the minimum value, and that a switching device is also provided which switches off the regulating or control device when this minimum value is reached and ensures a constant output frequency of the converter.

Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer günstigeren Auslegung für den Umformer und für die an diesem angeschlossene Wicklung der Asynchronmaschine, da nun die zugrunde zu legende Leistung etwa 30°/o niedriger sein kann.This has the advantage of a more favorable design for the converter and for the winding of the asynchronous machine connected to it, since the output to be taken as a basis can now be about 30 ° / o lower.

Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß beim Durchlaufen des durch die vorgegebenen Mindestwerte der Umformer-Ausgangsfrequenz für die Steuer- oder Regeleinrichtung gegebenen Sperrbereichs infolge von Drehzahländerungen des Wellengenerators die zum Einlauf in den Sperrbereich gehörige Umformerfrequenz für den ganzen Sperrbereich konstant gehalten wird und daß beim Verlassen des Sperrbereichs die zu der jeweiligen Sperrbereichsgrenze gehörende Umformer-Ausgangsfrequenz rein zeitabhängig eingestellt wird. Ändert sich die Drehzahl des Wellengenerators nach wie vor in derselben Richtung, so wird nach Durchlaufen des Sperrbereichs nunmehr negative Schlupfenergie auf die Asynchronmaschine gegeben, d. h., die Richtung des Energieflusses hat sich umgekehrt, und die an dem Frequenzumfonner angeschlossene Wicklung der Asynchronmaschine wird von diesem gespeist.Furthermore, it is proposed according to the invention that when passing through of the specified minimum values of the converter output frequency for the control or control device given blocking range as a result of changes in speed of the Wave generator, the converter frequency for the entry into the blocked area the entire restricted area is kept constant and that when leaving the restricted area the converter output frequency belonging to the respective cut-off range limit is set time-dependent. If the speed of the shaft generator changes afterwards as before in the same direction, now after passing through the restricted area given negative slip energy to the asynchronous machine, d. i.e., the direction of the The energy flow has reversed, and that connected to the frequency converter The winding of the asynchronous machine is fed by this.

Verwendet man einen Umformer aus ruhenden Elementen, wie z. B. steuerbaren Halbleitern, so tritt hier besonders die Gefahr auf, daß störende Oberwellen entstehen. Um diese auf einfache Weise zu unterdrücken, wird nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung der Wellengenerator mit dem Umformer über eine Induktivität an das Bordnetz angeschlossen und eine Kapazität von einer solchen Größe parallel geschaltet, daß sie mit der Induktivität zur Unterdrückung von Oberwellen und außerdem als Phasenschieber dient.If you use a converter made of static elements, such as B. controllable Semiconductors, there is a particular danger here that disturbing harmonics arise. In order to suppress this in a simple way, a further suggestion is made the invention of the wave generator with the converter via an inductance to the On-board network connected and a capacity of such size connected in parallel with the inductance to suppress harmonics and also serves as a phase shifter.

Um jedoch demgegenüber die Reiheninduktivität und die zu ihrer Speisung erforderliche Leistung einzusparen, wird gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung eine zusätzliche Wicklung in dem an das Bordnetz angeschlossenen Teil des Wellengenerators vorgesehen.However, in contrast to the series inductance and the supply Saving required power is according to a further proposal of the invention an additional winding in the part of the shaft generator connected to the vehicle electrical system intended.

Bekanntlich kann man mit einer Zweiphasenwicklung ebensogut ein Drehfeld erzeugen wie mit einer Dreiphasenwicklung. Ein Umformer, der zur Lieferung der Ausgangsleistung nur zwei Phasen hat, ist jedoch in seinem Aufwand wesentlich kleiner. Erfindungsgemäß wird deshalb weiterhin vorgeschlagen, daß die an das Bordnetz angeschlossene Wicklung des Wellengenerators dreiphasig und die an den Wechselrichter angeschlossene Wicklung zweiphasig ist.It is well known that a two-phase winding can just as well produce a rotating field generate as with a three-phase winding. A converter that is used to deliver the output power has only two phases, but is considerably less complex. According to the invention it is therefore also proposed that the winding connected to the vehicle electrical system of the wave generator three-phase and the winding connected to the inverter is two-phase.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einiger Zeichnungen näher beschrieben.The invention is described in more detail below with reference to a few drawings.

In F i g. 1 ist ein Asynehrongenerator 10 dargestellt, dessen Statorwicklung 11 an ein Netz 12 angeschlossen ist. Die Asynchronmaschine 10 wird von einer hier nicht eingezeichneten Schraubenwelle angetrieben. An der Rotorwicklung 13 der Asynchronmaschine 10 wird über Schleifringe Schlupfleistung entnommen, wenn der Wellengenerator in einem oberen Drehzahlbereich bis zur Nenndrehzahl hin arbeitet. Die Schlupfleistung wird einem Umformer 14 zugeführt, der in der beschriebenenArt uridWeise die Frequenz der Schlupfleistung so umformt, daß sich eine konstante Frequenz im Netz 12 ergibt.In Fig. 1 shows an asynchronous generator 10, the stator winding 11 of which is connected to a network 12. The asynchronous machine 10 is driven by a screw shaft not shown here. Slip power is drawn from the rotor winding 13 of the asynchronous machine 10 via slip rings when the shaft generator operates in an upper speed range up to the nominal speed. The slip power is fed to a converter 14 which converts the frequency of the slip power in the manner described so that a constant frequency results in the network 12.

F i g. 2 zeigt die Kurvendarstellung für die Arbeitsweise eines Wellengenerators gemäß der Erfindung. Der Wellengenerator hat im Punkt 15 der seiner Drehzahl entsprechenden Koordinate 16 seine synchrone Drehzahl, bei der die an das Netz 12 angeschlossene Wicklung 11 Netzfrequenz abgibt. Die Ausgangsfrequenz des Umformers 14 müßte in diesem Augenblick Null sein, d. h. der Umformer würde als Gleichrichter arbeiten. Rechts von dem Punkt 15 liegt der obere Drehzahlbereich des Wellengenerators 10, in dem Schlupfleistung aus den Schleifringen entnommen und über den Umformer 14 in das Netz gespeist wird, d. h., der Schlupf hat ein positives Vorzeichen. Sinkt nun die Drehzahl des Wellengenerators 10, so daß sie sich von rechts dem Punkt 15 nähert, so hat die Ausgangsfrequenz des Umformers den durch den Kurventeil 17 dargestellten Verlauf.F i g. 2 shows the graph for the mode of operation of a wave generator according to the invention. The wave generator has at point 15 the speed corresponding to its speed Coordinate 16 its synchronous speed at which the connected to the network 12 Winding 11 emits mains frequency. The output frequency of the converter 14 would have to be in be zero at this moment, d. H. the converter would work as a rectifier. To the right of point 15 is the upper speed range of shaft generator 10, in which the slip power is taken from the slip rings and via the converter 14 is fed into the network, d. i.e., the slip has a positive sign. Sinks now the speed of the wave generator 10, so that it is from the right point 15 approaches, the output frequency of the converter has that shown by the curve part 17 Course.

In der Nähe des Punktes 15 jedoch müßte der Umformer 14 eine sehr niedrige Frequenz abgeben. Deshalb wird im Punkt 18 erfindungsgemäß die Ausgangsfrequenz des Umformers, die auf der Koordinate 19 abgebildet ist, konstant gehalten. Dies geschieht, solange die Drehzahl des Wellengenerators 10 in dem Bereich zwischen den Punkten 18 und 20 schwankt. Wird dieser Bereich durch ein weiteres Absinken der Wellendrehzahl durchlaufen, so wird im Punkt 20 der Umformer 14 rein zeitabhängig umgeschaltet, so daß er nun mit negativem Schlupf entsprechend dem Kurventeil 21 arbeitet; es wird also jetzt Leistung dem Netz 12 entnommen und über den Umformer 14 den Schleifringen der Wicklung 13 zugeführt. Entsprechendes gilt für eine Drehzahländerung von dem unteren Drehzahlbereich in Richtung auf eine höhere Drehzahl. Im Punkt 20 wird dann die Ausgangsfrequenz des Umformers 14 konstant gehalten, wobei der Umformer 14 zunächst noch in die Schleifringe der Wicklung 13 speist. Bei weiterem Ansteigen der Drehzahl wird dann im Punkt 18 rein zeitabhängig umgeschaltet, so daß der kritische Bereich zwischen den Punkten 18 und 20 wieder möglichst schnell durchlaufen wird.In the vicinity of the point 15, however, the converter 14 would have to emit a very low frequency. Therefore, according to the invention, the output frequency of the converter, which is mapped on the coordinate 19, is kept constant at point 18. This happens as long as the speed of the wave generator 10 fluctuates in the area between points 18 and 20. If this range is traversed by a further decrease in the shaft speed, the converter 14 is switched over purely as a function of time at point 20 , so that it now works with negative slip in accordance with the curve part 21; So power is now taken from the network 12 and fed to the slip rings of the winding 13 via the converter 14. The same applies to a speed change from the lower speed range in the direction of a higher speed. At point 20, the output frequency of converter 14 is kept constant, converter 14 initially still feeding into the slip rings of winding 13. If the speed continues to increase, the changeover takes place purely as a function of time at point 18, so that the critical area between points 18 and 20 is passed through again as quickly as possible.

Auf der Koordinate 19 ist außerdem durch die Kurve 22 der Verlauf der Frequenz im Netz 12 während des Durchfahrens des Sperrbereichs dargestellt. Während dieser relativ kurzen Zeit kann man eine geringe Abweichung der Frequenz im Netz 12 in Kauf nehmen.On the coordinate 19, the curve 22 also shows the course of the frequency in the network 12 during the passage through the restricted area. During this relatively short time, a slight deviation in the frequency in the network 12 can be accepted.

F i g. 3 zeigt die Schaltung für den Fall, daß die Unterdrückung von Oberwellen erforderlich ist, die aus einem mit steuerbaren Halbleitern aufgebauten Umformer 14 stammen. Es ist hier zwischen den Wellengenerator 10 und das Bordnetz eine Reiheninduktivität 23 geschaltet und am Netz 12 eine Kapazität 24 von einer solchen Größe angeschlossen, daß sie sowohl mit der Induktivität zusammen zur Unterdrückung von Oberwellen als auch gleichzeitig als Phasenschieber dient.F i g. 3 shows the circuit for the case that the suppression of Harmonics is required, which is made up of a built with controllable semiconductors Transformer 14 originate. It is here between the wave generator 10 and the electrical system a series inductance 23 is connected and the network 12 has a capacitance 24 of one connected in such a way that they work together with both the inductance for suppression of harmonics and also serves as a phase shifter at the same time.

F i g. 4 zeigt eine Abwandlung der Schaltung nach F i g. 1. Der Wellengenerator 10 hat eine zusätzliche Wicklung 25, an die der Umformer 14 angeschlossen ist. Es erübrigt sich hierdurch die Einschaltung einer besonderen Induktivität.F i g. 4 shows a modification of the circuit according to FIG. 1. The wave generator 10 has an additional winding 25 to which the converter 14 is connected. This makes it unnecessary to switch on a special inductor.

Claims

Claims: 1. AC generator for constant frequency at alternating drive speed with one phase winding each in the stator and one in the rotor, of which one directly and the other via a frequency converter with an on-board network is connected, characterized in that only in the upper shaft speed range and at the nominal frequency of the on-board network, the rotating field of the connected to the frequency converter Winding, based on a fixed coordinate system, rotates more slowly than the rotor of the wave generator and that a regulating or control device is provided which is the output frequency of the frequency converter in a manner known per se regulates that it, together with the speed of the shaft generator, the nominal frequency of the on-board network results, but only as long as the output frequency of the converter is a given does not fall below the absolute minimum value, and that furthermore a switching device is provided that the regulating or control device when this minimum value is reached switches off and ensures a constant output frequency of the converter.

2nd generator according to claim 1, characterized in that when passing through the predetermined Minimum values of the converter output frequency for the control or regulation device given blocking range as a result of changes in the speed of the shaft generator converter frequency for the entry into the restricted area for the entire restricted area is kept constant and that when you leave the restricted area to the respective The converter output frequency belonging to the blocking range limit is set purely time-dependent will.

3. Generator according to claim 1, characterized in that when using one Converter made of controllable semiconductors of the wave generator with the Converter connected to the vehicle electrical system via a series inductance and a capacitance of such a size is connected in parallel that it is connected to the inductance for Suppression of harmonics and also serves as a phase shifter.

4. Generator according to claim 1, characterized by an additional winding in the on-board network connected part to which the side of the converter to be connected to the on-board network connected.

5. Generator, in particular according to claim 1, characterized in that that the winding connected to the electrical system is three-phase and that to the inverter connected winding is two-phase.