DE1538649C3 - Generator system for alternating current of constant frequency with changing drive speed - Google Patents
Generator system for alternating current of constant frequency with changing drive speedInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Generatoranlage für Wechselstrom konstanter Frequenz bei wechselnder Antriebsdrehzahl, die einen ein Wechselstromnetz direkt speisenden Synchrongenerator und ein von einer Antriebswelle angetriebenes Differentialgetriebe enthält, dessen Ausgangswelle den Synchrongenerator mit Hilfe einer Drehzahlregelung mit konstanter Drehzahl antreibt, unter Anwendung einer an die Differenzwelle des Differentialgetriebes angekuppelten, zusätzlichen Wechselstrommaschine, die im Normalbetrieb als Generator arbeitet und das Wechselstromnetz über einen steuerbaren Umrichter speist.The invention relates to a generator system for alternating current of constant frequency with changing Drive speed, a synchronous generator directly feeding an alternating current network and one of contains a drive shaft driven differential gear, the output shaft of which the synchronous generator drives with the help of a speed control with constant speed, using a to the Differential shaft of the differential gear coupled, additional alternating current machine, which in normal operation works as a generator and feeds the AC network via a controllable converter.
Es ist bekannt, an die Differenzwelle eine zusätzliche Wechselstrommaschine anzukuppeln, die als Generator arbeitet und die das Wechselstromnetz über einen Umrichter speist, wobei eine Regelung der Ausgangsdrehzahl des Differentialgetriebes über die von der zusätzlichen Wechselstrommaschine abgegebene Leistung und die sich daraus ergebende Drehzahl der Differenzwelle erfolgt (französische Patentschrift 1 334 683).It is known to couple an additional AC machine to the differential shaft, which as Generator works and feeds the AC network via a converter, with a regulation of the Output speed of the differential gear via the output from the additional alternator Power and the resulting speed of the differential shaft takes place (French patent 1 334 683).
Diese Regelung ist nur für einen bestimmten Drehzahlbereich der Antriebswelle vorgesehen, beispielsweise für Drehzahlen von mindestens 8O°/o der Nenndrehzahl der Ausgangswelle. Sie versagt, wenn die Drehzahl der Antriebswelle unter einen bestimmten Wert abfällt, so daß darin die Drehzahl des das NetzThis regulation is only for a certain speed range the drive shaft is provided, for example for speeds of at least 80% of the nominal speed the output shaft. It fails when the speed of the drive shaft falls below a certain level Value drops, so that in it the speed of rotation of the network
ίο speisenden Generators und die Netzfrequenz absinken. Für diesen Fall sind zwar an Bord eines Fahrzeuges weitere, von dem zum Antrieb dienenden Motor unabhängige Stromerzeuger vorgesehen, auf die im Falle eines voraussehbaren Drehzahlabfalls der Antriebswelle (Langsamfahrt, Anhalten, Umsteuern) rechtzeitig umgeschaltet wird, so daß dann zumindest wichtige Stromverbraucher weiter mit konstanter Frequenz und konstanter Spannung versorgt werden können, jedoch ist das rechtzeitige Umschalten auf an-ίο the feeding generator and the mains frequency drop. In this case, there are more on board a vehicle from the engine used for propulsion independent power generators are provided to which the Drive shaft (slow travel, stopping, reversing) is switched over in good time, so that then at least important electricity consumers can continue to be supplied with constant frequency and constant voltage, however, timely switching to other
ao dere Stromerzeuger bei der bekannten Generatoranlage bei plötzlichen, unvorhergesehenen Drehzahleinbrüchen der Antriebswelle nicht möglich. Selbst bei' automatischem Umschalten vergeht zwischen dem Umschaltbefehl und dem Erreichen der Sollfrequenz und Sollspannung eine bestimmte, durch die mech^£ nischen und elektrischen Zeitkonstanten der neu einzuschaltenden Maschinen und Schaltgeräte bedingte Zeit. Während dieser Zeit verringern sich Frequenz und Spannung des Bordnetzes, was bei der Wichtigkeit der von ihnen versorgten Beleuchtungs-, Ortungs-, Signal- und Steuergeräte schwerwiegende Folgen haben kann.ao other power generators in the known generator system in the event of sudden, unforeseen drops in speed the drive shaft is not possible. Even with 'automatic switching between the Switching command and reaching the target frequency and target voltage a certain, through the mech ^ £ niche and electrical time constants of the new machines and switching devices to be switched on Time. During this time, the frequency and voltage of the vehicle electrical system decrease, which is important the lighting, location, signaling and control devices supplied by them have serious consequences may have.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist darin zu sehen, eine Generatoranlage zu schaffen, mit der auch in Störungsfällen die Frequenz des Bordnetzes so lange aufrechterhalten wird, bis andere Stromerzeuger für die Versorgung des Bordnetzes betriebsbereit sind.The object on which the invention is based is to be seen in creating a generator system with which, even in the event of a fault, the frequency of the on-board network is maintained until others Generators for supplying the on-board network are ready for operation.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei plötzlichem, unvorhergesehenem Abfall der Drehzahl der Antriebswelle unter einen Mindestwert die als Synchrongenerator arbeitende zusätzliche Wechselstrommaschine mittels eines Umschalters vom Umrichter trennbar und direkt an das Wechselstromnetz anschließbar ist, wobei dann die zusätzliche Wechselstrommaschine aus dem Synchrongenerator über das Netz als Motor gespeist ist.This object is achieved according to the invention in that in the event of a sudden, unforeseen drop the speed of the drive shaft below a minimum value, the additional working as a synchronous generator AC machine can be separated from the converter by means of a changeover switch and directly connected to the AC network can be connected, in which case the additional alternating current machine from the synchronous generator is fed via the mains as a motor.
In der Zwischenzeit sind dann andere Stromerzeuger betriebsbereit.In the meantime, other power generators are ready for operation.
Aus der US-PS 2 911 541 ist eine Wellengeneratoranlage bekannt, bei der der als Wellengenerator arbeitende Schwungradgenerator von der Propellerwelle über ein Differentialgetriebe und eine elektromagnetische Kupplung angetrieben wird. Ein regelbarer Elektromotor arbeitet auf das Planetenrad des Getriebes und hält die Drehzahl der den Wellengenerator antreibenden Welle weitgehend konstant. Bei Erreichen einer vorbestimmten Drehzahl wird über einen Schalter die Einschaltung eines Notstromaggregates sowie die Abschaltung des Wellengenerators bewirkt. Bei dieser Anlage wird ein aufwendiger Schwungradgenerator verwendet.From US-PS 2 911 541 a wave generator system is known, in which the flywheel generator working as a shaft generator from the propeller shaft is driven via a differential gear and an electromagnetic clutch. A controllable one Electric motor works on the planetary gear of the gearbox and keeps the speed of the shaft generator driving shaft largely constant. When a predetermined speed is reached A switch can be used to switch on an emergency generator and switch off the shaft generator causes. A complex flywheel generator is used in this system.
Mit der Anlage nach der Erfindung ist der Vorteil verbunden, daß im Störungsfalle ohne Zeitverzögerung die Umschaltung des zusätzlichen Generators auf Motorbetrieb zur Stützung des Wechselstromnetzes erfolgt. Eine Gefährdung der wichtigen Verbraucher tritt nicht ein. Darüber hinaus wird die Re-The system according to the invention has the advantage that, in the event of a fault, there is no time delay the switching of the additional generator to motor operation to support the AC network he follows. The important consumers are not endangered. In addition, the re-
gelfähigkeit der Anlage verbessert und die Anwendbarkeit auf größere Drehzahlschwankungen der Antriebswelle ermöglicht.Gelability of the system improved and the applicability to larger speed fluctuations of the drive shaft enables.
Die Drehzahl n3 der den Synchrongenerator antreibenden Ausgangswelle des Differentialgetriebes ergibt sich bekanntlich, wenn man vereinfachend die Übersetzungsverhältnisse der Drehzahlen: des Differentialgetriebes als 1:1 annimmt, als Jfifferenz der DrehzahlVi1 der Antriebswelle und der Drehzahl /I2 der Differenzwelle:The speed n 3 of the output shaft of the differential gear that drives the synchronous generator results, as is known, if one assumes, in a simplified manner, the gear ratios of the speeds: of the differential gear as 1: 1, as the difference between the speed Vi 1 of the drive shaft and the speed / I 2 of the differential shaft:
/J1 /I2 = /I3 / J 1 / I 2 = / I 3
Da die Drehzahl /I3 konstant bleiben soll, muß in der Formel bei einer Verringerung des Summanden /I1 der Summand —/I2 vergrößert werden, d. h. die Drehzahl /I2 wird zu Null bei einem bestimmten Mindestwert /iim/n der Drehzahl der Antriebswelle. Um auch unterhalb des Mindestwertes M1 min die Konstanz der Drehzahl /i3 zu erhalten, muß die Drehzahl «., ihr Vorzeichen wechseln, was durch das erfindungsgemäße Umschalten der zusätzlichen Wechselstrommaschine von Generator- auf Motorbetrieb entgegengesetzte Drehrichtung bei der Umschaltdrehzahl /ils, die etwa dem Mindestwert nlmin gleich ist, erreicht wird. Das Umschalten kann beispielsweise ausgelöst werden von einem auf der Antriebswelle angebrachten Tachometer, wie es meist zu anderen Zwecken schon vorhanden ist.Since the speed / I 3 should remain constant, if the addend / I 1 is reduced, the addend - / I 2 must be increased in the formula, ie the speed / I 2 becomes zero at a certain minimum value / i im / n der Speed of the drive shaft. In order i 3 are below the minimum value M 1 min the constancy of the speed / to, the rotational speed must "., Change their sign, which by the inventive switching of the additional alternator from generator to motor operation opposite rotational direction at the changeover speed / i ls, which is approximately equal to the minimum value n lmin is reached. Switching can be triggered, for example, by a tachometer attached to the drive shaft, as is usually already available for other purposes.
Die zusätzliche Wechselstrommaschine läuft als Motor im Asynchronbetrieb vom Stillstand aus an. In seinem Hochlaufen wirkt der Motor dem gleichzeitigen Abfall der Drehzahl /I1 der Antriebswelle im Sinne eines Ausgleichs und damit im Sinne des Konstanthaltens der Drehzahl n3 des Synchrongenerators entgegen.The additional alternating current machine starts up as a motor in asynchronous operation from a standstill. While it is running up, the motor counteracts the simultaneous drop in speed / I 1 of the drive shaft in the sense of compensation and thus in keeping the speed n 3 of the synchronous generator constant.
Sollte sich der Abfall der Drehzahl nx unterhalb des Mindestwertes /I1 mia für einige Zeit verlangsamen, so kann sich durch das Hochlaufen des Motors bis zu seiner Nenndrehzahl die Drehzahl n3 und damit die Netzfrequenz erhöhen. Um die prozentuale Frequenzerhöhung gegenüber der Nennfrequenz klein zu halten, soll zunächst beim Abfall der Drehzahl /I1 unter den Wert /I1 min ein Abfall der Frequenz hingenommen werden. Die zusätzliche Wechselstrommaschine wird erst bei einer Umschaltdrehzahl/I1 s unterhalb der Drehzahl /I1 min auf Motorbetrieb umgeschaltet: /I1 s<nlmfn.If the drop in the speed n x below the minimum value / I 1 mia slows down for some time, the speed n 3 and thus the line frequency can increase as the motor runs up to its nominal speed. In order to keep the percentage frequency increase compared to the nominal frequency small, a decrease in the frequency should initially be accepted when the speed / I 1 falls below the value / I 1 min. The additional AC machine is only switched to motor operation at a switching speed / I 1 s below the speed / I 1 min : / I 1 s <n lmfn .
Wenn die zusätzliche Wechselstrommaschine als Motor ihre Nenndrehzahl erreicht hat, kann mit ihr eine Erhöhung der Drehzahl /i3 nicht weiter bewirkt werden. Die Netzfrequenz sinkt dann bei weiterem Abfall der Drehzahl /I1. Bei sachgemäßer Wahl der Übersetzungsverhältnisse des Differentialgetriebes ist es jedoch möglich, den prozentualen Frequenzabfall (in der Zeit, bis andere Stromerzeuger betriebsbereit sind) bis zu kleinen Weiten von /I1 innerhalb zulässiger Grenzen zu halten.When the additional alternating current machine as a motor has reached its rated speed, it cannot be used to further increase the speed / i 3. The mains frequency then drops if the speed / I 1 drops further. If the transmission ratios of the differential gear are selected properly, however, it is possible to keep the percentage frequency drop (in the time until other power generators are ready for operation) up to small widths of / I 1 within permissible limits.
Wegen der Trägheitsmomente der rotierenden Teile der Anlage ist ein plötzlicher Abfall der Drehzahl It1 der Antriebswelle auf Null erfahrungsgemäß ausgeschlossen. Sollte dieser Extremfall jedoch einmal auftreten, so wird auch dann die Netzfrequenz von der erfindungsgemäßen Anlage für kurze Zeit auf zulässigen Werten gehalten, nämlich so lange, bis die in der Anlage, insbesondere im Synchrongenerator, gespeicherte Rotationsenergie bis auf einen Mindestwert entnommen oder vernichtet ist.Because of the moments of inertia of the rotating parts of the system, experience shows that a sudden drop in speed It 1 of the drive shaft to zero is ruled out. However, should this extreme case occur, the system according to the invention maintains the network frequency at permissible values for a short time, namely until the rotational energy stored in the system, in particular in the synchronous generator, has been withdrawn to a minimum or destroyed.
Der Umrichter, über den die zusätzliche Wechselstrommaschine im Normalbetrieb das Wechselstromnetz speist, hat die Aufgabe, den von dieser Maschine erzeugten Strom variabler Frequenz in einen Strom mit Netzfrequenz umzuwandeln. Er kann vorteilhaft aus einem Gleichrichter und einem nachgeschalteten, vom Netz geführten Wechselrichter bestehen. Diese Ausführung hat den Vorteil konstruktiver Einfachheit. The converter through which the additional AC machine powers the AC grid during normal operation feeds, has the task of converting the variable-frequency current generated by this machine into a current to convert with mains frequency. It can advantageously consist of a rectifier and a downstream, grid-run inverters exist. This design has the advantage of structural simplicity.
Eine andere günstige Ausführung des UmrichtersAnother inexpensive version of the converter
ίο besteht darin, daß er aus einem Gleichrichter und einem nachgeschalteten, netzgeführten, selbst kommutierenden Wechselrichter, wie er als Pulswechselrichter bekannt ist, besteht. Der Pulswechselrichter hat gegenüber dem vom Netz kommutierten Wechselrichter den Vorteil, daß er das Netz nicht mit Blindstrom belastet.ίο consists in the fact that it consists of a rectifier and a downstream, line-commutated, self-commutating inverter, such as the pulse inverter is known, exists. The pulse inverter has compared to the inverter commutated from the grid the advantage that it does not load the network with reactive current.
Die drei Größen Drehzahl /I2, Erregung und Wirkstrom der zusätzlichen Wechselstrommaschine bedingen sich wechselseitig. Zur Steuerung der Drehzahl n9 ist es deshalb prinzipiell möglich, auf die Erregung und auf den Strom der Maschine einzuwirken. So ist es möglich, bei konstanter Erregung eine Frequenzregelung dadurch zu erreichen, daß der Strom der zusätzlichen Maschine, beispielsweise mittels eines Pulswechselrichters, verändert wird. Die entgegengesetzte Lösung liegt darin, bei konstantem Strom die Erregung zu verstellen. Dieses letztgenannte Prinzip benutzt eine wegen ihrer konstruktiven Einfachheit und ihres günstigen Regelverhaltens besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, wonach ein Regler in die Erregung der zusätzlichen Wechselstrommaschine eingreift. Eine weitere Regel- öder Steuereinrichtung beeinflußt die Aussteuerung des Umrichters derart, daß der Eingangsstrom des Wechselrichterteils des Umrichters drehzahlunabhängig ist. Die Erfindung sei im folgenden an Hand einer Zeichnung beschrieben.The three variables speed / I 2 , excitation and active current of the additional alternating current machine are mutually dependent. To control the speed n 9 , it is therefore possible in principle to act on the excitation and the current of the machine. It is thus possible to achieve frequency regulation with constant excitation by changing the current of the additional machine, for example by means of a pulse inverter. The opposite solution is to adjust the excitation with a constant current. This last-mentioned principle uses an embodiment of the invention that is particularly advantageous because of its structural simplicity and its favorable control behavior, according to which a controller intervenes in the excitation of the additional alternating current machine. Another regulating or control device influences the modulation of the converter in such a way that the input current of the converter part of the converter is speed-independent. The invention is described below with reference to a drawing.
Eine mit der veränderlichen Drehzahl /I1 umlaufende Antriebswelle 1, hier eine Schiffspropellerwelle, treibt ein Differentialgetriebe 4 an. Dessen mit der konstant geregelten Drehzahl n3 umlaufende Ausgangswelle 3 ist gekuppelt mit einem das Wechselstromnetz 5 speisenden, in üblicher Weise durch die Erregerwicklung 6 erregten Synchrongenerator 7. Die Differenzwelle 2 treibt mit der Drehzahl /I2 die zusätzliche Wechselstrommaschine 8 an, welche ein Synchrongenerator ist und im Normalbetrieb über einen Umschalter 9 und einen aus dem Gleichrichter 10 und dem Wechselrichter 11 bestehenden Umrichter das Netz 5 gleichzeitig mit dem Synchrongenerator 7 speist. Eine Regelung der Netzfrequenz geschieht nach einem Vergleich des Istwerts der Frequenz / (proportional /i3) mit der Sollfrequenz /s mittels eines Vergleichsglieds 12 durch den Regler und Verstärker 13, der den Strom der Erregerwicklung 14 der zusätzlichen Wechselstrommaschine 8 verstellt. Der Eingangsstrom des Wechselrichters 11 wird durch eine durch einen Wirkungspfeil angedeutete, an sich bekannte und deshalb hier nicht näher dargestellte Regelvorrichtung konstant gehalten. A drive shaft 1 rotating at the variable speed / I 1, here a ship's propeller shaft, drives a differential gear 4. Meanwhile, with the constant regulated speed n 3 encircling the output shaft 3 is coupled to an AC mains 5 dining, 7 in a conventional manner through the field winding 6-excited synchronous generator, the difference shaft 2 drives with the rotational speed / I 2 to the auxiliary alternator 8, which is a synchronous generator and in normal operation feeds the network 5 simultaneously with the synchronous generator 7 via a changeover switch 9 and a converter consisting of the rectifier 10 and the inverter 11. The network frequency is regulated after a comparison of the actual value of the frequency / (proportional / i 3 ) with the setpoint frequency / s by means of a comparison element 12 by the controller and amplifier 13, which adjusts the current of the excitation winding 14 of the additional AC machine 8. The input current of the inverter 11 is kept constant by a control device indicated by an action arrow, known per se and therefore not shown here in greater detail.
Im Falle eines plötzlichen, unvorhergesehenen Abfalls der Drehzahl n\ der Antriebswelle 1 unter den Mindestwert, bei der eine Umkehr der Drehrichtung der Welle % nötig wird, um die Konstanz der Drehzahl ηΛ zu erhalten, trennt der Umschalter 9 die zusätzliche Wechselstrommaschine 8 von dem Umrichter 10, 11 und schließt sie als Motor über die Leitung 15 direkt an das Wechselstromnetz 5 an. Dabei wirdIn the event of a sudden, unforeseen drop in the speed n \ of the drive shaft 1 below the minimum value at which a reversal of the direction of rotation of the shaft % is necessary in order to maintain the constancy of the speed η Λ , the switch 9 separates the additional alternating current machine 8 from the Converters 10, 11 and connects them as a motor via line 15 directly to the alternating current network 5. It will
die Frequenzregelung 12, 13, 14 unwirksam. Gleichzeitig mit dem Umschalten können unwichtige Verbraucher für die Dauer des Störungszustandes mittels der Schalter 16 vom Netz getrennt werden.the frequency control 12, 13, 14 ineffective. At the same time as switching, unimportant consumers can be disconnected from the network by means of the switch 16 for the duration of the fault condition.
Bei Beseitigung des Störungszustandes nach kurzer Dauer kann durch erneutes Umlegen des Umschalters 9 der Normalbetrieb wieder "aufgenommen werden. Bei Fortdauer des Störungszustandes werden nach dem Inbetriebsetzen von zusätzlichen Stromquellen der Synchrongenerator und die zusätzliche Wechselstrommaschine 8 durch nicht gezeigte Mittel mechanisch von der Antriebswelle oder unter gleichzeitigem Abschalten der Erregerwicklungen 6 und 14 elektrisch vom Netz 5 getrennt.If the fault condition is eliminated after a short period of time, by flipping the switch again 9 normal operation can be resumed after the commissioning of additional power sources the synchronous generator and the additional Alternating current machine 8 by means not shown mechanically from the drive shaft or at the same time Disconnection of the excitation windings 6 and 14, electrically isolated from the network 5.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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