DE1463259C3 - Stromversorgungseinrichtung für Wechselstrom konstanter Frequenz mit einem bei variabler Drehzahl antreibbaren Wechselstromgenerator - Google Patents

Description

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versorgungseinrichtung treten nämlich infolge der Einfluß der Kommutierung der steuerbaren Gleich-Arbeitsweise der steuerbaren Gleichrichter des Fre- lichter auf die Klemmenspannung des Generators,
quenzwandlers Lastwechsel auf, deren Dauer ledig- Die F i g. 1 zeigt eine nach der Erfindung auflich einige Mikrosekunden beträgt. Dabei macht sich gebaute dreiphasige Stromversorgungseinrichtung, die eine Eigenschaft des inneren Widerstands des Gene- 5 trotz veränderbarer Drehzahl des Generators eine rators bemerkbar, die im folgenden als subtransiente konstante Frequenz abgibt. Der Dreiphasengenerator Impedanz oder Sprungimpedanz bezeichnet wird. 300 gibt über drei Leitungen Leistung ab. Jede der Darunter ist derjenige Anteil des Generatorinnen- Phasenwicklungen 31, 32, 33 weist einen unabhängigen Widerstands zu verstehen, der bei Laständerungen auf- Frequenzwandler auf. Von diesen Frequenzwandlern tritt, die in einer Zeitspanne ablaufen, die kürzer als io ist lediglich einer gezeigt, und zwar der Frequenzeine Periode der Generatorausgangsspannung ist. wandler 20 für die Phasenwicklung 31. Dieser Fre-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus der quenzwandler enthält im wesentlichen mehrere steuer-

durch subtransiente Stoßvorgänge verzerrten Genera- bare Gleichrichter, die unter der Steuerung einer

torklemmenspannung eine Spannung herzustellen, Zündschaltung 19 zu den richtigen Zeitpunkten ge-

deren momentaner Zeitverlauf in jedem Augenblick 15 zündet werden. Als Beispiel dafür sind zwei steuerbare

mit dem Verlauf der ungestörten internen Generator- Gleichrichter dargestellt, die der ersten Phase des

spannung übereinstimmt. Diese dem internen Span- Generators 300 zugeordnet sind. Zwei weitere Gleich-

nungsverlauf des Wechselstromgenerators entspre- richterpaare sind für die anderen beiden Phasen-

chende, rein sinusförmige Spannung kann dann als wicklungen 32, 33 vorgesehen. Die Zündschaltung 19

Steuerspannung für den Frequenzwandler herangezo- ao wird derart gesteuert, daß sie die Zündsignale für die

gen werden. steuerbaren Gleichrichter liefert. Die Ansteuerung der

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs be- Zündschaltung erfolgt unter dem gemeinsamen Einschriebene Stromversorgungseinrichtung nach der nuß der Generatorausgangsspannung sowie einer Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Einrich- Bezugsspannung, die von einem Oszillator 320 statung zum Ausgleich der Verzerrungen ein Impedanz- 25 biler Frequenz abgegeben wird. Der Strom für den netzwerk aufweist, dessen Impedanz derjenigen äqui- Verbraucher, der an die Phasenwicklung 31 anvalent ist, die der Generator stoßartigen Belastungen geschlossen ist, wird über eine Drosselspule 420 abdarbietet, deren Zeitdauer größenordnungsmäßig kür- genommen.

zer als eine Periode der erzeugten Generatorspannung Die Einzelheiten der Zündschaltung 19 und des an ist, und daß Mittel vorgesehen sind, die zur Nachbil- 30 die Phasenwicklung 31 angeschlossenen Frequenzdung des internen Spannungsverlaufs des Generators wandlers 20 sind nicht Gegenstand der Erfindung und den an dem Impedanznetzwerk auftretenden Span- daher nicht im einzelnen gezeigt. Um jedoch verstehen nungsabfall und eine der momentanen Generator- zu können, warum ein verzerrungsfreier, sauberer klemmenspannung proportionale Spannung addieren. Spannungsverlauf von Wichtigkeit ist, soll erörtert

Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, daß 35 werden, wie das Ausgangssignal des Oszillators 320

die Form des Spannungsverlaufs, die durch den Ma- und des Generators gemeinsam die Zündimpulse für

gnetfluß im Luftspalt erzeugt wird, hinreichend gut ist, die steuerbaren Gleichrichter des Frequenzwandlers

um sie für weitere Zwecke verwenden zu können. Auf hervorrufen. Zu diesem Zweck wird auf die in der

diese Weise ist es möglich, eine reine Sinusspannung F i g. 2 dargestellten Spannungsverläufe verwiesen,

auch dann zu erhalten, wenn die Generatorklemmen- 40 Die F i g. 2 zeigt eine sinusförmige Grundwelle 25,

spannung durch kürzeste Stoßbelastungen wie das die der Oszillator 320 liefert. Dieser Grundwelle ist

Zünden nachgeschalteter Siliciumgleichrichter ver- eine Spannung 26 überlagert, die eine höhere Frequenz

zerrt wird. Zur Nachbildung des Impedanznetzwerks aufweist und die eine Phasenspannung des Generators

ist es lediglich erforderlich, die Frequenzabhängigkeit 300 darstellt. Die Zündschaltung 19 ist eine Trigger-

der Generatorsprungimpedanz in dem gesamten Fre- 45 schaltung, die bei einer vorbestimmten Spannungs-

quenzbereich zu ergründen, den der Generator wäh- schwelle anspricht. Wenn die aus der Überlagerung

rend seines Betriebs überstreicht. hervorgegangene gemeinsame Spannung diese Schwelle

Die Stromversorgung des Impedanznetzwerks er- erreicht, wird an den in Frage kommenden steuerbaren folgt vorzugsweise über einen Stromwandler, der in Gleichrichter des Frequenzwandlers 20 ein Zündder den Belastungsstrom führenden Ausgangsleitung 50 impuls gelegt, so daß über die Drosselspule 420 der des Wechselstromgenerators liegt. Bei einem Mehr- einen Phasenleitung des Verbrauchers Leistung zuphasengenerator ist für jede Phase eine eigene Schal- geführt wird. Der Augenblick, zu dem diese Zündtung zur Erzeugung der dem internen Spannungsver- Spannungsschwelle erreicht werden muß, ist außerlauf entsprechenden Spannung vorgesehen. Die aus ordentlich kritisch, da durch diesen Zeitpunkt sowohl der Addition hervorgegangene Spannung und eine 55 die abgegebene Leistung als auch der Verlauf der abvon einem Oszillator erzeugte Bezugsspannung fester gegebenen Spannung bestimmt wird. Wenn nun im Frequenz steuern vorzugsweise die Zündschaltung des Verlauf der beiden Spannungen, die den Zündimpuls einen Verbraucher speisenden Frequenzwandlers an. für die steuerbaren Gleichrichter hervorrufen, irgend-

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung welche Verzerrungen oder Unregelmäßigkeiten aufwird an Hand von Figuren beschrieben. 60 treten, wird die erforderliche Genauigkeit des Zünd-

F i g. 1 zeigt das Schaltbild einer nach der Erfin- Zeitpunkts für die steuerbaren Gleichrichter stark be-

dung aufgebauten Dreiphasen-Stromversorgungsein- einträchtigt.

richtung; In der Fig. 2 ist eine Spannung28 dargestellt, die

F i g. 2 zeigt an Hand eines Spannungsverlaufs den diejenige Spannungsschwelle sein soll, bei deren

Einfluß der Generatorausgangsspannung auf den 65 Überschreiten die Zündschaltung 19 für den in Frage

Zündzeitpunkt der steuerbaren Gleichrichter des kommenden Gleichrichter des Frequenzumsetzers 20

Frequenzwandlers; einen Zündimpuls erzeugt. Eine Vorspannung 27

F i g. 3 zeigt an Hand eines Spannungsverlaufs den wird dazu verwendet, das Spannungsniveau der aus

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der Überlagerung hervorgegangenen gemeinsamen Die Spannung, die über der äquivalenten Sprung-Spannung näher an diese Spannungsschwelle heran impedanz 13 entsteht, ist in der Sekundärwicklung des oder weiter von ihr weg zu rücken, so daß diese Vor- Stromwandlers 10 durch folgenden Ausdruck gegeben: spannung verwendet werden kann, um den Zündzeit- v_s = i_s z(p), (1)
punkt des steuerbaren Gleichrichters zu beeinflussen. 5 da nun aber i_s = i/n ist, folgt
Aus der Fig. 2 geht hervor, daß die Spannungs- 1

schwelle am Punkt A zuerst erreicht wird. Die Zünd- v_s ~ — z(p). (2)

schaltung 19 antwortet auf diesen Zustand mit der ⁿ

Erzeugung von Zündimpulsen für die ihr zugeordneten Die Generatorklemmenspannung beträgt pro Phase steuerbaren Gleichrichter. Anschließend werden beim io Vt = ν — i Z(p). (3)
Erreichen der Punkte B und C Zündimpulse erzeugt. Die Spannung, die durch den Fluß im Generator-Die F i g. 3 zeigt einen typischen Spannungsverlauf, luftspalt hervorgerufen wird, beträgt daher
der während einer Periode am Ausgang des Generators ν = V_t + i Z(p). (4)
auftritt. Die in diesem Spannungsverlauf dargestellte Der Ausdruck für die rekonstruierte Spannung pro Verzerrung 30, die durch die Kommutierung hervor- 15 Phase lautet

gerufen wird, soll graphisch zeigen, welche möglichen v₀ = Vt + v_s. (5)

Einflüsse eine derartige Verzerrung auf den Zündzeit- Ersetzt man nun v_s durch den Ausdruck (2), so folgt

punkt ausüben kann. Wenn die gesamte Stromver- _t

sorgungseinrichtung in einer solchen Betriebsart ar- »Ό = V_t -\ z(jp). (6)

beitet, daß die Zündimpulse normalerweise an dem 20 ⁿ

in der F i g. 3 dargestellten Punkt E erzeugt werden, Wenn man z(p) wie folgt definiert:

kann der durch die Kommutierung hervorgerufene z(p) = η Ζ(ρ), (7)

Spannungseinbruch in Form der Verzerrung 30 in ergibt sich

dem Spannungsverlauf die Erzeugung von Zünd- v₀ = V_t + i ZQ?) (8)

impulsen offensichtlich unterbinden. 25 Ersetzt man nun die rechte Seite dieser Gleichung

Gemäß der Erfindung soll diejenige Spannung re- durch den Ausdruck (4), so folgt

konstruiert werden, die durch den magnetischen Fluß V₀ = v. (9)

im Luftspalt des Generators bedingt ist. Wie es sich Die in der F i g. 1 dargestellte Schaltung ist so auf-

aus der Darstellung des Generators 300 nach der aufgebaut, daß man sich als erstes über die Eigen-

F ig. 1 ergibt, ist der Generator in einer Weise dar- 30 schäften der Sprungimpedanz Gewißheit verschafft und

gestellt, nach der eine Spannung in drei Phasen- anschließend ein Netzwerk konstruiert, das innerhalb

wicklungen 31, 32 und 33 erzeugt wird, die jeweils mit des in Frage kommenden Betriebsfrequenzbereiches

der subtransienten Generatorimpedanz oder Sprung- die gleichen Impedanzeigenschaften aufweist. We

impedanz ZQt)₁, Z(p)₂ bzw. Z(p)₃ des Generators in man solche Impedanznetzwerke mit vorgegebenen

Reihe geschaltet sind. Dabei bedeutet das Symbol »p« 35 Eigenschaften konstruieren kann, ist bekannter Stand

den »La Place«- oder »Heavyside«-Operator. der Technik (Radio Engineers Handbook, F. E.

Wie man nun ein Impedanznetzwerk aufbauen kann, Te r m a n, 1943, Section 3 Circuit Theory; Hütte IV B

das der inneren Sprungimpedanz des Generators Elektrotechnik, 28. Auflage, 1962, 1. Abschnitt,

äquivalent ist, und wie man ein solches Netzwerk dazu II. Netzwerktheorie, insbesondere S. 67 bis 71 [Reali-

verwenden kann, um die Spannung zu rekonstruieren, 40 sierung von LC-, RC- und i?Z,-Impedanzfunktionen]).

die durch den magnetischen Fluß im Luftspalt des Wie in der F i g. 1 gezeigt, wird die Addition einer

Generators bedingt ist, läßt sich am besten an Hand Spannung, die dem momentanen Spannungsabfall an

der nachfolgenden mathematischen Untersuchung ver- der Sprungimpedanz in jeder Phasenwicklung äqui-

stehen, die für eine der Phasenspannungen durch- valent ist, mit Hilfe eines Stromwandlers 10,11 bzw. 12

geführt ist. Für diese Untersuchung sind die folgenden 45 durchgeführt, der Strom an das Impedanznetzwerk 13,

Symbole verwendet worden: 14 bzw. 15 der Sprungimpedanz liefert. Dadurch wird

eine Spannung erzeugt, die dem Spannungsabfall in

i = Generatorlaststrom, jeder Phasenwicklung proportional ist. Die Aus-4 = Strom in der Sekundärwicklung eines Strom- gangsspannungen der verschiedenen Sprungimpedanzwandlers, 50 netzwerke stellen dann rekonstruierte Spannungen dar, ν = innere Spannung, die durch den magnetischen deren Verlauf im wesentlichen mit dem Verlauf der-Fluß im Luftspalt des Generators bedingt ist, jenigen Spannungen übereinstimmt, die ursprünglich Vs = Spannung an dem Äquivalentnetzwerk für die durch den Magnetfluß im Luftspalt des Generators er-

Sprungimpedanz, zeugt werden.

V₀ = rekonstruierte Spannung, 55 In der F i g. 1 wird die rekonstruierte Spannung Vt = Generatorklemmenspannung, zwischen der dritten und der zweiten Phasenwicklung Z(p) = wirksame innere Sprungimpedanz des Ge- über einen Transformator 16 der Zündschaltung 19 nerators, zugeführt, um die Zündschaltung 19 mit einem Spanzip) = äquivalente Sprungimpedanz, nungsverlauf 26 zu versorgen, der zur Erzeugung der η — Windungsverhältnis des Stromwandlers. 60 richtigen Zündbedingungen notwendig ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2 Patentansprüche· direkt an die Ausgangsklemmen des Wechselstromgenerators angeschlossen sind, Verzerrungen in der

1. Stromversorgungseinrichtung für Wechsel- Generatorspannung hervor. Im Augenblick des Ziinstrom konstanter Frequenz, mit einem bei variabler dens der steuerbaren Gleichrichter tritt nämlich an den Drehzahl antreibbaren Wechselstromgenerator, mit 5 Ausgangsklemmen des Generators ein kurzschlußeinem den erzeugten Wechselstrom variabler Fre- ähnlicher Vorgang auf. Da die steuerbaren Gleichquenz in einen Wechselstrom konstanter Frequenz richter, beispielsweise Siliciumgleichrichter, außerumsetzenden statischen Halbleiter-Frequenzwand- ordentlich schnell gezündet werden können, sind damit ler und mit einer Einrichtung zum Ausgleich von - bisher nicht bekannte Schwierigkeiten verbunden, da Verzerrungen in der Kurvenform des Wechsel- io die durch das Schalten hervorgerufenen Übergangsstroms, dadurch gekennzeichnet, daß erscheinungen in äußerst kurzen Zeitspannen, in der die Einrichtung ein Impedanznetzwerk (13) auf- Größenordnung von Mikrosekunden, auftreten,
weist, dessen Impedanz derjenigen äquivalent ist. Wenn man die verzerrte Spannung als Steuerspandie der Generator stoßartigen Belastungen dar- nung für den Frequenzwandler heranzieht, kann inbietet, deren Zeitdauer größenordnungsmäßig kür- 15 folge der Spannungseinbrüche ein unregelmäßiges zer als eine Periode der erzeugten Generatorspan- Zünden der steuerbaren Gleichrichter auftreten, wonung ist, und daß Mittel vorgesehen sind, die zur durch sowohl die Frequenz als auch die Amplitude Nachbildung des internen Spannungsverlaufs des der Ausgangswechselspannung des Frequenzwandlers Generators den an dem Impedanznetzwerk auf- nachteilig beeinträchtigt wird. Bei den bekannten tretenden Spannungsabfall und eine der momen- 20 Stromversorgungseinrichtungen der beschriebenen Art tanen Generatorkfemmenspannung proportionale hat man daher versucht, mit Filternetzwerken einen Spannung addieren. sauberen Spannungsverlauf zu erzielen. Damit sind

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- aber zahlreiche Nachteile verbunden. Ein gut auskennzeichnet, daß die Stromversorgung des Im- gelegtes Filter, das in der Lage ist, bei einer bestimmten pedanznetzwerks (13) über einen Stromwandler (10) 25 Wechselstromgeneratorfrequenz Schaltvorgänge soerfolgt, der in der den Belastungsstrom führenden wie niederfrequente Verzerrungen aus der Generator-Ausgangsleitung des Generators liegt. ausgangsspannung auszufiltern, ist nämlich für eine

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch andere Generatorfrequenz nicht mehr geeignet, da es gekennzeichnet, daß bei einem Mehrphasengene- die Phase der Grundfrequenz verschiebt. Wenn daher rator (300) für jede der Phasenwicklungen (31, 32, 30 eine Stromversorgungseinrichtung mit einem Genera-33) eine eigene Schaltung (10, 13; 11, 14; 12, 15) tor zusammenarbeitet, dessen Frequenz innerhalb zur Erzeugung der dem internen Spannungsverlauf eines großen Bereichs schwankt, lassen sich Filterentsprechenden Spannung vorgesehen ist. netzwerke nur noch schlecht verwenden. Außerdem

4. Einrichtung nach einem der vorstehenden An- weist ein Filter eine derart ungünstige Übergangssprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der 35 funktion auf, daß auch aus diesem Grund Ergebnisse Addition hervorgegangene Spannung und eine von entstehen, die nicht toleriert werden können.

einem Oszillator (320) erzeugte Bezugsspannung Nun ist bereits aus der deutschen Auslegeschrift fester Frequenz die Zündschaltung (19) des einen 1 007 871 eine Anordnung zum Herstellen eines stabi-Verbraucher speisenden Frequenzwandlers (20) an- len Betriebes von Synchronmaschinen bei einem Polsteuern. 40 radwinkcl von größer als 90° el durch Konstanthalten

der Hauptfeldspannung bei beliebigen, nicht stoß-

artigen Veränderungen bekannt. Zu diesem Zweck ist

, im Erregerkreis der Synchronmaschine ein Spannungsregler angeordnet, der in Regelabhängigkeit von der

45 Spannungszeigersumme aus einer dem Spannungs-

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversor- abfall an der transienten Reaktanz und einer der Ge-

gungseinrichtung für Wechselstrom konstanter Fre- neratorspannung phasengleichen und proportionalen

quenz, mit einem bei variabler Drehzahl antreibbaren Spannung steht, so daß die Erregerspannung im Sinne

Wechselstromgenerator, mit einem den erzeugten der Konstanthaltung der Hauptfeldspannung beein-

Wechselstrom variabler Frequenz in einen Wechsel- 50 fiußt wird. Zur Nachbildung des Spannungsabfalls an

strom konstanter Frequenz umsetzenden statischen der transienten Reaktanz und der Generatorspannung

Halbleiter-Frequenzwandler und mit einer Einrich- ist im Leitungszug der Synchronmaschine ein Strom-

tung zum Ausgleich von Verzerrungen in der Kurven- wandler mit Bürde und zwischen zwei Hauptleitern

form des Wechselstroms. der Synchronmaschine ein Spannungswandler ange-

Eine derartige Stromversorgungseinrichtung ist bei- 55 ordnet, dessen Sekundärwicklung mit der Bürde des

spielsweise aus der Fachzeitschrift AIEE Transactions, Stromwandlers zur Bildung der Spannungszeigcr-

Part. II, 1960, S. 411 bis 418 (Constant-Frequency summe in Reihe geschaltet ist. Die Bürde des Span-

A-C Power Using Variable Speed Generation), be- nungswandlers ist eine einstellbare Induktivität, die

kannt. Die Verwendung eines HalbleiteriFrequenz- vorzugsweise so bemessen ist, daß der an ihr auftre-

wandlers bietet gegenüber Stromversorgungseinrich- 60 tende Spannungsabfall dem an der transienten Reak-

tungen mit Maschinenumformern den Vorteil, daß tanz proportional ist. Dabei wird unter der transienten

nur noch der Rotor des Wechselstromgenerators als Reaktanz der innere Widerstand des Generators vc-

einziges bewegbares Teil verbleibt. Darüber hinaus standen, der im eingeschwungenen Zustand auftritt,

sprechen statische Halbleiter-Frequenzwandler sehr Da diese bekannte Anordnung lediglich zum Ausgleich

schnell auf Belastungs- oder Drehzahländerungen des 65 von nicht stoßartigen Veränderungen dient, ist sie

Wechselstromgenerators an. Nun rufen aber die nicht geeignet, die hier vorliegenden Probleme zu

schnell schaltenden Halbleiterschalter des Frequenz- lösen.

Wandlers, beispielsweise gesteuerte Gleichrichter, die Beim Betrieb der eingangs beschriebenen Strom-