DE2450017A1

DE2450017A1 - Variable frequency synchronous generator - has alternating excitation supply which is provided by an exciter with required frequency input

Info

Publication number: DE2450017A1
Application number: DE19742450017
Authority: DE
Inventors: Gerhard Opitz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-10-22
Filing date: 1974-10-22
Publication date: 1976-05-06

Abstract

Generator and exciter are driven by a common prime mover and typically run at the same constant speed and thus have the same number of poles. Each machine is constructed as a three phase machine with three phase windings on both rotor and stator. The exciter stator is fed with a supply having the frequency required from the generator. The field revolves in the same direction as the rotor and thus induces in the latter currents of a frequency given by the difference between shaft speed and magnetic field speed. Exciter and generator rotors are electrically coupled. The speed of the revolving magnetic field in the generator is thus the sum of shaft speed and field supply thereby generating in the stator winding a frequency equal to the exciter input frequency.

Description

Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zum regelbaren Betrieb eines elektrischen Drehstrom generators (Synchrongenerators) durch Speisung der Erregerwicklung seines Polrades mit Drehstrom nach Patent ........ (Anmeldung P 24 21 710.5). Arrangement for carrying out the process for controllable operation an electrical three-phase generator (synchronous generator) by feeding the Excitation winding of its pole wheel with three-phase current according to patent ........ (Application P 24 21 710.5).

Das ffauptpatent betrifft ein Verfahren zum regelbaren Betrieb eines elektrischen Drehstromgenerators, und zwar eines Synchrongenerators, durch Speisung der Erregerwicklung seines Polrades mit Drehstrom derart, dass je nach Art der bewicklung des Polrades ein einpoliges oder mehrpoliges System Im ulilgekehrten Drehsinn wie das Polrad umlaufender Vektoren konstanter Amplitude des magnetischen Erregerflusses entsteht, dessen Umlaufgeschwindigkeit proportional der Frequenz des in die Erregerwicklung eingespeisten Drehstromes ist, so dass eine uberlagerung der Umlaufbewegungen von Vektorsystem und Polrad stattfindet und die Ausgangsfrequenz des Generators, welche durch die Relativbewegung des Vektorsystems zum Ständer bestimmt wird, durch Andern der Frequenz und die Grösse der Ausgangsspannung des Generators durch Andern der Stromstärke des die Erregerwicklung speisenden Drehstromes regelbar sind. The ffauptpatent relates to a method for the controllable operation of a electrical three-phase generator, namely a synchronous generator, by supply the excitation winding of its pole wheel with three-phase current in such a way that depending on the type of winding of the pole wheel is a single-pole or multi-pole system the pole wheel of rotating vectors of constant amplitude of the magnetic excitation flux arises, the speed of which is proportional to the frequency of the in the field winding fed three-phase current is, so that a superposition of the orbital movements of Vector system and pole wheel takes place and the output frequency of the generator, which is determined by the relative movement of the vector system to the stand, by changing the frequency and the size of the output voltage of the generator by changing the Amperage of the three-phase current feeding the excitation winding can be regulated.

Durch die Erfindung des Hauptpatentes wird ein regelbarer Betrieb eines elektrischen Drehstrom-Synchrongenerators unabhängig von der Drehzahl des mechanischen Antriebes in weiten Grenzen ohne mechanischen Regler zwischen dem Antrieb und dem Generator allein auf induktivem Wege, also mit elektrischen statt mit mechanischen Mitteln, ermöglicht. Insbesondere wird es hierbei ermöglicht, die Ausgangsfrequenz des Generators auch dann konstant zu halten, wenn das Polrad eine veränderliche Drehzahl hat, vorausgesetzt, dass eine bestimmte Mindestdrehzahl nicht unterschritten wird. Dies ist insbesondere für die Drehstromerzeugung in Flugzeugen, aber auch für andere Anwendungsgebiete von grosser Bedeutung. The invention of the main patent resulted in a controllable operation an electrical three-phase synchronous generator regardless of the speed of the mechanical drive within wide limits without mechanical controller between the drive and the generator solely by inductive means, i.e. with electrical instead of mechanical Means, made possible. In particular, this enables the output frequency of the generator to keep constant even when the pole wheel is variable Speed has, provided that a certain minimum speed is not fallen below will. This is especially true for three-phase power generation in aircraft, but also of great importance for other areas of application.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Durchführung des Ve-rfahrens nach dem Hauptpatent zu schaffen, mit welcher der Aufwand zur Bereitstellung des die Erregerwicklung des Polrads speisenden Drehstromes und der Bedarf an Drehstromerregerleistung besonders klein gehalten werden. The invention is based on the object of an arrangement for implementation of the process according to the main patent with which the effort to provide the three-phase current feeding the exciter winding of the pole wheel and the need for three-phase exciter power can be kept particularly small.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Verwendung eines Maschinensatzes, bestehend aus dem Synchrongenerator (Hauptgenerator) und einem damit mechanisch gekuppelten Erregergenerator sowie einer für beide gemeinsamen Antriebsmaschine, bei dem die Polpaarzahlen von Stator und Rotor jeweils eines der beiden Generatoren gleich, aber für beide Generatoren vom Verhältnis der Drehzahlen beider Polräder abgängig sind.(d.h. beim Drebzahlverhältnis 1:1 gleiche Polpaarzahlen in beiden Generatoren; beim Drehzahlverhältnis 2:1 doppelte Polpaarzahl bei dem langsamer laufenden Generator) und der Stator des Erregergenerators mit einem Drehstrom von der Hauptgenerator-Sollfrequenz erregt wird, so dass im Stator des Erregergenerators ein einpoliges oder mehrpoliges, das Polrad des Erregergenerators erregendes System umlaufender magnetischer Erregervektoren konstanter Amplitude entsteht, das sich gleichsinnig der Umlaufbewegung.-, des Polrades überlagert und dadurch in der DrehstromxJicklung des Brregerpolrades einen Erregerdrehstrom mit der Differenzfrequenz beider Umlaufbewegungen erzeugt, welcher der Polradbewicklung des Hauptgenerators zugeleitet wird, dort ebenfalls umlaufende magnetische Erregervektoren erzeugt, die entgegen dem Drehsinn des Polrades des Haupt generators umlaufen und sich der Umlaufbewegung dieses Polrades überlagern und dadurch den Hauptgenerator mit der in dem Stator des Erregergenerators eingespeisten Frequenz erregen, so dass die Ausgangs frequenz des Hauptgenerators durch die Grosse der Frequenz und die Grösse der Amplitude der Ausgarigsspannung durch die Stromstärke des den Stator des Erregergenerators speisenden Drehstromes regelbar sind. According to the invention, this object is achieved by using a Machine set, consisting of the synchronous generator (main generator) and a mechanically coupled exciter generator as well as a common one for both Drive machine in which the number of pole pairs of stator and rotor is one of the the same for both generators, but the ratio of the speeds for both generators both pole wheels are missing (i.e. with a speed ratio of 1: 1 same number of pole pairs in both generators; at a speed ratio of 2: 1 double Number of pole pairs in the slower running generator) and the stator of the exciter generator is excited with a three-phase current from the main generator setpoint frequency, so that in Stator of the exciter generator a single-pole or multi-pole, the pole wheel of the exciter generator Exciting system of rotating magnetic excitation vectors of constant amplitude arises, which is superimposed in the same direction as the orbital movement as a result, a three-phase exciter current is included in the three-phase winding of the exciter pole wheel the difference frequency of the two revolving movements, which of the pole wheel winding of the main generator is fed, there also circulating magnetic excitation vectors generated that rotate against the direction of rotation of the pole wheel of the main generator and superimpose the orbital motion of this pole wheel and thereby the main generator excite with the frequency fed into the stator of the exciter generator, so that the output frequency of the main generator by the size of the frequency and the Size of the amplitude of the output voltage due to the current strength of the stator of the exciter generator feeding three-phase current can be regulated.

Durch die unmittelbare Binspeisung der Erregerfrequenz in den Stator des Erregergenerators wird eine sonst erforderliche Elektronik in Form eines umfangreichen Frequenzregelgeräts entbehrlich. Ausserdem werden als Erregerleistung für den Haupt generator statt etwa 5-7 % seiner Nutzleistung nur noch etwa 5 Promille der Nutzleistung benötigt. By directly feeding the excitation frequency into the stator of the exciter generator is an otherwise required electronics in the form of a comprehensive Frequency control device dispensable. In addition, as excitation power for the Main generator instead of about 5-7% of its useful power only about 5 per thousand Useful power required.

Weiterhin wird durch eine Anordnung gemäss der Erfindung die Voraussetzung zu einer schleifkontaktfreien Ausbildung des Maschinensatzes geschaffen, was insbesondere für Bordgeneratoren in Flugzeugen von grosser Wichtigkeit ist. Es ist bekannt, dass rotierende Kontaktsysteme in dünner, trockener Luft, mit der bei grosser Flughöhe gerechnet werden muss, ausserordentlich schnell verschleissen. Auch die sogenannte "höhenfeste" Kohle gewährleistet keine voll befriedigende Lösung dieses Problems. Bei Flugzeugen ist aber eine Steigerung der betrieblichen Zuverlässigkeit durch Entbehrlichmachen anfälliger Bauelemente von allergrösster Bedeutung. Furthermore, the prerequisite is met by an arrangement according to the invention created for a sliding contact-free training of the machine set, which in particular is of great importance for on-board generators in aircraft. It is known that rotating contact systems in thin, dry air, with the at high altitude must be expected, wear out extremely quickly. Also the so-called "High-altitude" coal does not guarantee a fully satisfactory solution to this problem. In the case of aircraft, however, there is an increase in operational reliability Making susceptible components of the greatest importance dispensable.

Die Schleifringfreiheit des Maschinensatzes kann bei einer Anordnung gemäss der Erfindung dadurch erreicht werden, dass der Hauptgenerator und der Erregergenerator durch eine gemeinsame Polradwelle direkt gekuppelt sind und die Drehstrom wicklungen der Polräder beider durch mit der gemeinsamen Welle umlaufende elektrische Leiter ständig verbunden sind. The freedom from slip rings of the machine set can with an arrangement can be achieved according to the invention in that the main generator and the exciter generator are directly coupled by a common pole wheel shaft and the three-phase windings the pole wheels of both by electrical conductors rotating with the common shaft are constantly connected.

Eine solche Art der Zuführung des Erregerdrehstromes zur Erregerwicklung des Polrads des Haupt generators ist absolut verschleissfest.Such a way of supplying the three-phase excitation current to the excitation winding of the pole wheel of the main generator is absolutely wear-resistant.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann ein zusätzlicher Drehstrom-Hilfsgenerator mit der Welle des Hauptgenerators oder des Erregergenerators gekuppelt sein, der dazu dient, über einen Dreiphasen-Drehstrongleichrichter ein quarz gesteuertes elektronisches Erreger- und Regelgerät zu speisen, das den den Stator des Erregergenerators speisenden Drehstrom mit der Hauptgenerator-Sollfrequenz liefert. Eine solche zusätzliche Einrichtung macht es möglich, mehrere parallele Anordnungen mit je einem Maschinensatz gemäss der Erfindung synchron zu regeln. Auf diese Weise wird eine Autonomie der Gesamtanordnung in dem Sinne erreicht, dass keinerlei elektrische Hilfsströme von aussen her benötigt werden. According to a further proposal of the invention, an additional Three-phase auxiliary generator with the shaft of the main generator or of the exciter generator, which is used via a three-phase three-phase rectifier a quartz-controlled electronic excitation and control device that feeds the The three-phase current feeding the stator of the exciter generator with the main generator setpoint frequency supplies. Such an additional device makes it possible to have several parallel To regulate arrangements with one machine set according to the invention synchronously. In this way an autonomy of the overall arrangement is achieved in the sense that no electrical auxiliary currents are required from the outside.

Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung besteht in einem die Hauptgenerator-Ausgangsspannung überwachenden und stabilisierenden Regelverstärker, der bei Abweichungen vom Sollwert die Amplitude der Erregung des Erregergenerators neu einstellt. Another possible embodiment of the invention consists in one control amplifier that monitors and stabilizes the main generator output voltage, the amplitude of the excitation of the exciter generator in the event of deviations from the nominal value readjusts.

In dem elektronischen Erreger- und Regelgerät sind Quarzkristalle, Logikregister, Verzögerungsleitungen, Regelverstärker und Leistungsverstärker aus Halbleitern derart verwendet, dass eine frequenzstabile und spannungsgeechte Erregung des Erregergenerators gewährleistet wird. The electronic excitation and control device contains quartz crystals, Logic registers, delay lines, control amplifiers and power amplifiers Semiconductors are used in such a way that a frequency-stable and voltage-correct excitation of the exciter generator is guaranteed.

Ferner kann bei paralleler Anordnung mehrerer Maschinensätze für ein den einziges Haupterreger- und Regelgerät als Steuer-Organ für die den einzelnen Hauptgeneratoren zugeordneten Steuer-und Regelgeräte vorgesehen sein, so dass eine besondere Phasenregelschaltung entbehrlich Wird. Furthermore, when several machine sets are arranged in parallel, for a single main exciter and control device as a control organ for the individual Control and regulating devices assigned to main generators can be provided so that a special phase-locked circuit becomes dispensable.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielswe-ise näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 das grundsätzliche Stroml!auSbild einer Anordnung gemss der Erfindung, deren Maschinensatz einen Hauptgenerator, einen Erregergenerator, einen Hilfsgenerator und eine Antriebsmaschine mit einer gemeinsamen Welle umfasst, Fig. 2 zeigt eine Anordnung gemäss der Erfindung mit Maschinensatz und elektronischem Erreger--und Regelgerät. The invention is exemplified below with reference to the drawings explained in more detail. 1 shows the basic flow of an arrangement according to the invention, the machine set of which has a main generator, an exciter generator, comprises an auxiliary generator and a prime mover with a common shaft, Fig. 2 shows an arrangement according to the invention with a machine set and an electronic one Exciter and control device.

In Fig, 1 und. 2 bedeuten: P1 = Zahl der Polpaare des Synchron-Haupt generators G1 P2 = Zahl der Polpaare des Erregerstromgenerators G2 fp = Zahl der Umläufe des Polrades je Sekunde Frequenz des vom Synchron-Hauptgenerator erzeugten Drehstromes G1 = Synchron-Hauptgenerator G2 = Erregerstromgenerator G3 Hilfsgenerator für Drehstrom verschiedener Frequenzen fel = erste Erregerfrequenz, von aussen zugeführt fe2 = zweite Erregerfrequenz, welche im Erregergenerator G2 erzeugt wird el = erster Erregerdrehstrom, wird von aussen dem Stator des Erregergenerators zugeführt e2 = zweiter Erregerdrehstrom, der dem Polrad des Synchron-Haupt generators zugeführt wird Dem Polrad des Synchron-Hauptgenerators wird eine Drehstromerregung mit der Frequenz fe2 von der Form fe2 = fp . P - fG: fPmin # fp : zugeführt, damit im Hauptgenerator die konstante Generatorfrequenz fG entstehen kann. Zur Erzeugung dieses Erregerdrehstromes dient ein Drehstromgenerator G2, der von der gleichen Maschine wie der Haupt generator G1 angetrieben wird. In Fig, 1 and. 2 mean: P1 = number of pole pairs of the synchronous main generator G1 P2 = number of pole pairs of the excitation current generator G2 fp = number of Revolutions of the pole wheel per second of the frequency generated by the synchronous main generator Three-phase current G1 = synchronous main generator G2 = excitation current generator G3 auxiliary generator for three-phase currents with different frequencies fel = first excitation frequency, supplied from outside fe2 = second excitation frequency, which is generated in the excitation generator G2 el = first Three-phase exciter current is fed from the outside to the stator of the exciter generator e2 = second three-phase exciter current supplied to the pole wheel of the synchronous main generator The pole wheel of the synchronous main generator is a three-phase excitation with the Frequency fe2 of the form fe2 = fp. P - fG: fPmin # fp: supplied, so in the main generator the constant generator frequency fG can arise. To generate this three-phase exciter current A three-phase generator G2 is used by the same machine as the main generator G1 is driven.

Im einfachsten Fall sitzen beide Polräder auf derselben Antriebswelle; doch können die beiden Polräder auch über ein mechanisches Getriebe miteinander verbunden sein. Der Erregerdrehstrom J e2 wird im Erregerdrehstromgenerator auf folgende Weise erzeugt: Dem Stator von G2 wird eine Drehstromerregung der Frequenz fel aus einer äusseren, im allgemeinen elektronischen Drehstromquelle zugeführt. Dadurch entsteht sowohl im Stator als auch im Polrad von G2 ein rotierendes magnetisches Vektorsystem mit P2 Pol paaren, dessen Umlaufgeschwindigkeit Vu den Wert fel V = fel Vu = P2 Umläufe je Sekunde beträgt.In the simplest case, both pole wheels sit on the same drive shaft; however, the two pole wheels can also be connected to one another via a mechanical transmission be connected. The three-phase exciter current J e2 is generated in the three-phase exciter generator generated in the following way: The stator of G2 is excited by a three-phase frequency fel supplied from an external, generally electronic three-phase power source. This creates a rotating magnetic in both the stator and the pole wheel of G2 Pair the vector system with P2 Pole, the velocity of which Vu has the value fel V = fel Vu = P2 revolutions per second.

Dreht sich nun der Rotor Ro2 des Generators G2 gleichsinnig mit diesem Vektorsystem ebenso schnell wie der Rotor Ro1 des Hauptgenerators mit der Geschwindigkeit: fp Vrot = ------- Umläufe je Sekunde, sec so entsteht im Rotor Ro2 des Erregergenerators ein Drehstrom, dessen Frequenz von der Relativbewegung des rotierenden Vektorfeldes gegenüber der Rotorwicklung von Ro2 bestimmt ist.If the rotor Ro2 of the generator G2 now rotates in the same direction as it Vector system as fast as the rotor Ro1 of the main generator with the speed: fp Vrot = ------- revolutions per second, sec is created in the rotor Ro2 of the exciter generator a three-phase current, the frequency of which depends on the relative movement of the rotating vector field with respect to the rotor winding is determined by Ro2.

Diese Relativbewegung beträgt: Vrelativ = Vrot - Vu = fpc - fiel Umläufe je Sekunde sec P In der Rotorwicklung mit P2 Polpaaren entsteht dann ein Drehstrom der Frequenz: f = V relativ . P2 = fp.P2 - fe1 = fe2 (zweite Erregerfrequenz) Die im Haupt generator G1 entstehende Drehstrom-Frequenz ist durch die Beziehung bestimmt: fGen fP P1 fe (Generatorfrequenz des Hauptgenerators) Setzt man in diese Beziehung den soeben formulierten Ausdruck für die zweite Erregerfrequenz fe2 ein, so ergibt ich: fGen - P P1 - fp P2 fel Für den Fall, dass die Polpaarzahlen Pl und P2 gleich sind, ergibt sich die Beziehung: Generator fel Der Haupt generator gibt also einen Drehstrom mit derjenigen Frequenz ab, welche zuvor als erste Erregerfrequenz dem Stator des Erregerdrehstromgenerators G2 zugeführt wurde. This relative movement is: Vrelative = Vrot - Vu = fpc - fell Revolutions per second sec P A then arises in the rotor winding with P2 pole pairs Three-phase current of frequency: f = V relative. P2 = fp.P2 - fe1 = fe2 (second excitation frequency) The three-phase frequency arising in the main generator G1 is given by the relationship determines: fGen fP P1 fe (generator frequency of the main generator) is set in this Relation to the expression just formulated for the second excitation frequency fe2, so I result: fGen - P P1 - fp P2 fel In the event that the number of pole pairs Pl and P2 are the same, the relationship is: Generator fel The main generator thus emits a three-phase current with the frequency that was previously used as the first excitation frequency was fed to the stator of the three-phase exciter generator G2.

Die Erregerleistung wird dem Erregerdrehstromgenerator G2 als mechanische Leistung zugeführt, als elektrische Leistung Perr ausgekoppelt und kontaktfrei auf das erregende Polrad P1 übertragen. Diese Übertragung der Erregerleistung vom Polrad P2 zum Polrad P1 besorgen drei Leiter Re - Se - Teß welche auf der Welle zwischen Polrad 1 und Polrad 2 festgelegt werden. The excitation power is supplied to the exciter three-phase generator G2 as a mechanical one Power supplied, decoupled as electrical power Perr and without contact transmit the exciting pole wheel P1. This transfer of excitation power from the pole wheel P2 to the pole wheel P1 get three conductors Re - Se - Teß which on the shaft between Pole wheel 1 and pole wheel 2 are set.

Wenn für die Erregung des Hauptgenerators G1 etwa 7 % seiner Nennleistung als Erregung gebraucht werden und wenn andererseits zur Erregung des Erregerstromgenerators G2 ebenfalls etwa 7 % der von ihm abgegebenen Erregerleistung benötigt werden, so erfordert die Magnetisierung des Stators des Generators G2 eine Leistung von: Erregerleistung Stator G2 = 0,07.0,07.NGenerator = O,OOS.NGenerator Für einen Generator mit 100 kVA müsse somit eine elektronisch erzeugte Erregerleistung von nur etwa 500 VA oder 3 x 170 VA aufgebracht werden.If for the excitation of the main generator G1 about 7% of its rated power are used as excitation and if on the other hand to excite the excitation current generator G2 also needs about 7% of the excitation power it delivers, see above the magnetization of the stator of the generator G2 requires a power of: excitation power Stator G2 = 0.07.0.07.NGenerator = O, OOS.NGenerator For a generator with 100 kVA an electronically generated excitation power of only about 500 VA or 3 x 170 VA can be applied.

Während bei dem grundsätzlichen Stromlaufbild gemäss Fig. 1 lediglich angegeben ist, dass aus dem Stator eines Hilfsgenerators G3 ein dreiphasiger Wechselstrom einem Gleichrichter zugeführt und dessen Ausgangsstrom einer elektronischen Anordnung zugeleitet wird, die eine dreiphasige Erregerfrequenz zur Speisung des Stators des Erregergenerators erzeugt, zeEt Fig. 2 eine im folgenden näher beschriebene Anordnung mit einem mit allen drei Generatoren des Maschinensatzes verbundenen elektronischen Erreger- und Regelgerät. While in the basic circuit diagram according to FIG. 1 only it is indicated that a three-phase alternating current from the stator of an auxiliary generator G3 fed to a rectifier and its output current to an electronic arrangement is supplied, which has a three-phase excitation frequency for feeding the stator of the Generates exciter generator, Fig. 2 shows an arrangement described in more detail below with an electronic one connected to all three generators of the machine set Exciter and control device.

Die Antriebsmaschine liefert Drehzahlen zwischen 4 300 U/min und 12 900 U/min an die Hauptwelle des Generators G1. Das Polrad läuft also mit Drehzahlen zwischen 72 und 215 Umläufen je Sekunde um. The prime mover delivers speeds between 4,300 rpm and 12 900 rpm on the main shaft of the generator G1. The pole wheel therefore runs at speeds between 72 and 215 revolutions per second.

Der Hauptgenerator G1 hat einen Stator, der 6 x 3 = 18 Nuten aufweist und mit einer sechspoligen Drehstrombewicklung versehen ist. Das Polrad ist ebenfalls 18-fach unterteilt und trägt eine sechspolige Drehstrombewicklung. Die Stromzuführung zu dieser Erregerwicklung, welche mit dem Strom e2 erregt wird, ist auf der Generatorwelle festgelegt und läuft zusammen mit dem Polrad um. The main generator G1 has a stator which has 6 x 3 = 18 slots and is provided with a six-pole three-phase winding. The pole wheel is also 18-fold subdivided and has a six-pole three-phase winding. The power supply to this excitation winding, which is excited with the current e2, is on the generator shaft fixed and rotates together with the pole wheel.

Der Erregerstromgenerator G2 hat im Stator und im Rotor ebenfalls eine Unterteilung 6 x 3 = 18 Nuten. Die Polradbewicklung ist sechspolig. Die Endungen R2 ~ S2 ~ T2 sind mit dem Polrad des Hauptgenerators über die bereits erwähnte, auf der Hauptwelle festgelegte dreiteilige Stromverbindungsschiene verbunden. Der Stator dieses Generators ist ebenfalls mit einer sechspoligen Drehstrombewicklung ausgerüstet. In diese Wicklung wird der Erregerstrom Jél eingespeist, welcher aus dem elektronischen Erreger- und Reglerteil herkonmt. Dieser Erregerstrom ist ein Dreiphasen-Drehstrom. The excitation current generator G2 also has in the stator and in the rotor a subdivision 6 x 3 = 18 grooves. The rotor winding is six-pole. The endings R2 ~ S2 ~ T2 are connected to the pole wheel of the main generator via the already mentioned, three-part power connection rail fixed on the main shaft. Of the The stator of this generator also has a six-pole three-phase winding equipped. The excitation current Jél is fed into this winding the electronic exciter and controller part. This excitation current is a Three-phase alternating current.

Der Hilfsgenerator G3 enthält ein sechspoliges, mit Dauermagneten ausgerüstetes Polrad, welches an die Antriebswelle von G1 und G2 angekoppelt ist. Der Stator trägt eine Drehstrombewicklung mit sechs Polen. Der erzeugte Drehstrom liegt im Frequenzbereich 432 Hz bis 1 290 Hz. In einem Dreiphasen-Vollweggleichrichter wird er in Gleichstrom umgeformt und zum Betrieb des elektronischen Erreger- und Regelgeräts benutzt. Infolge der Dreiphasen-Vollweggleichrichtung verbleibt eine relativ geringe Restwelligkeit für die Leistungsverstärker. Eine kleine Filterkette und ein elektronischer Regler glätten den Gleichstrom für die Erregerstufe und die Spannungsverstärker mit einem Gesamtleistungsbedarf von maximal 10 Watt. The auxiliary generator G3 contains a six-pole, with permanent magnets Equipped pole wheel, which is coupled to the drive shaft of G1 and G2. The stator has a three-phase winding with six poles. The three-phase current generated is in the frequency range 432 Hz to 1,290 Hz. In a three-phase full-wave rectifier it is converted into direct current and used to operate the electronic exciter and Control device used. As a result of the three-phase full wave rectification, one remains relatively low ripple for the power amplifier. A small chain of filters and an electronic regulator smooth the direct current for the exciter stage and the Voltage amplifier with a total power requirement of a maximum of 10 watts.

Das elektronische Erreger- und Regelgerät wird vom Gleichstrom des Hilfsgenerators mit Energie versorgt. Das Gerät enthält eine Erregerstufe mit einem Quarzkristall, dessen Eigenresonanzfrequenz 25 600 Hz beträgt. Dieser Erregerstufe sind sechs Frequenzteiler 2 : 1 nachgeschaltet, welche die Quarzfrequenz auf 400,00 Hz reduzieren. Eine Umformerstufe formt die Rechteckschwingungen der Frequenzteiler wieder in eine Sinusform um. Da jedoch ein 400 Hz-Drehstrom mit drei Phasen benötigt wird, enthält das Erregergerät einen Kettenleiter, welcher einen Phasenverzug von 1200 und einen zweiten Kettenleiter, welcher einen Phasenverzug von 2400 bewirkt. Zusammen mit der nicht verzögerten Eingangs spannung des Kettenleiters bilden diese drei Spannungen ein vollständiges 400 Hz-System mit strenger Symmetrie. Diese drei Spannungen werden drei Erregerverstärkern aufgeschaltet, welche die Teilspannungen so weit verstärken, dass die ebenfalls im Regelgerät enthaltenen drei Leistungsverstärker für die drei Phasen Re - Se - Te voll ausgesteuert werden können. Die drei Endleistungsverstärker sind in der Lage, je Phase bis zu 200 Watt Erregerleistung zu erzeugen. Mit einer Erregerdrehstromleistung von insgesamt etwa 600 Watt kann man den Erregerdrehstromgenerator G2 voll durchmagnetisieren. The electronic excitation and control device is powered by the direct current of the Auxiliary generator supplied with energy. The device contains an exciter stage with a Quartz crystal, its natural resonance frequency 25 600 Hz. This exciter stage is followed by six frequency dividers 2: 1, which control the crystal frequency reduce to 400.00 Hz. A converter stage forms the square waves of the Frequency divider back into a sinusoidal shape. However, since a 400 Hz three-phase current with three Phases is required, the exciter contains a chain conductor, which one Phase delay of 1200 and a second chain ladder, which has a phase delay caused by 2400. Together with the non-delayed input voltage of the chain conductor these three voltages form a complete 400 Hz system with strict symmetry. These three voltages are connected to three excitation amplifiers, which are the partial voltages amplify so much that the three power amplifiers also contained in the control unit for the three phases Re - Se - Te can be fully controlled. The three power amplifiers are able to generate up to 200 watts of excitation power per phase. With a The three-phase exciter power of a total of about 600 watts can be used with the three-phase exciter Fully magnetize G2.

Der Frequenzbereich dieser Anordnung reicht von 32 Hz bis 890 Hz.The frequency range of this arrangement is from 32 Hz to 890 Hz.

Die drei Spannungsverstärker haben ausser ihrer Verstärkereigenschaft auch die Fähigkeit, sich regeln zu lassen. Sie sind so aufgebaut, dass sie eine symmetrische Dreiphasenspannung mit einer Regelzeitkonstante von etwa 0,3 Sekunden an die drei Leistungsverstärker liefern. Dabei beträgt der Regelbereich etwa 20 dezibel. Als Messfühler für diese Regelung dienen drei Spannungsgleichrichter am Hauptverteiler des Hauptgenerators, welche drei Richtspannungen AU erzeugen. Deren Mittelwert wird gebildet, mit dem Sollwert der Ausgangsspannung verglichen und die Differenz dieser Werte als Regelspannung ausgekoppelt.The three voltage amplifiers also have amplifier properties also the ability to be regulated. They are built to be a symmetrical three-phase voltage with a control time constant of about 0.3 seconds supply to the three power amplifiers. The control range is around 20 decibel. Three voltage rectifiers are used as measuring sensors for this control Main distributor of the main generator, what three directional voltages Generate AU. Their mean value is formed with the nominal value of the output voltage compared and the difference between these values coupled out as a control voltage.

Auf diese Weise werden sowohl Spannungsänderungen erfasst, welche durch Belastungsschwankungen am Generator entstehen, als auch Spannungsänderungen, welche durch das verschieden schnell laufende Polrad hervorgerufen werden mögen. Der Regelverstärker für den magnetischen Erregerstrom J e2 stellt automatisch die richtige, zur eingestellten Ausgangsspannung gehörende magnetische Feldstärke ein.In this way, both voltage changes are recorded, which caused by load fluctuations on the generator, as well as voltage changes, which may be caused by the pole wheel running at different speeds. The control amplifier for the magnetic excitation current J e2 automatically sets the correct magnetic field strength for the set output voltage.

Die Anordnung hat folgende Wirkungsweise: In der Statorwicklung des Erregergenerators, welche mit 400 Hz-Drehstrom erregt wird, läuft ein sechspoliges Vektorsystem magnetischer Erregervektoren gleichsinnig mit dem Polrad um. Das System hat eine Vektorumlaufgeschwindigkeit von 2 Vu (400 Hz) = 400 Hz : 6 = 66 3 Umdrehungen je Sekunde 2 Angenommen, das Polrad läuft mit 76 3 Umdrehungen je Sekunde um, so beträgt der Unterschied zwischen den beiden Rotationen zehn Umläufe je Sekunde. In der sechspoligen Rotorwicklung des Polrades wird daher ein dreiphasiger Drehstrom von 6 x 10 Hz = 60 Hz entstehen. Die Frequenz dieses Erregerdrehstromes J e2 kann bei diesem Beispiel zwischen 32 Hz und 890 Hz liegen und sich je nach Umlaufgeschwindigkeit des Polrades ändern. The arrangement has the following mode of operation: In the stator winding of the Exciter generator, which is excited with 400 Hz three-phase current, runs a six-pole Vector system of magnetic excitation vectors in the same direction as the pole wheel. The system has a vector velocity of 2 Vu (400 Hz) = 400 Hz: 6 = 66 3 revolutions 2 per second Assuming the pole wheel rotates at 3 revolutions per second, see above the difference between the two rotations is ten revolutions per second. A three-phase three-phase current is therefore generated in the six-pole rotor winding of the pole wheel of 6 x 10 Hz = 60 Hz arise. The frequency of this three-phase exciter current J e2 can in this example lie between 32 Hz and 890 Hz and vary depending on the rotational speed of the pole wheel.

Die Amplitude des Erregerdrehstromes J e2 wird durch die Regelung der Vorverstärker im Erreger- und Regelgerät immer so eingestellt, dass der Hauptgenerator seine korrekte Ausgangsspannung beibehält. Der Erregerdrehstrom c' e2 mit seiner Frequenz von 60 Hz erregt aufgrund der Stromübertragung über die Dreileiterschiene auch das Polrad des Generators G1. Hier entsteht ein sechspoliges Vektorsystem mit sechs rotierenden Erregervektoren fie , welches mit zehn Umläufen je Sekunde relativ zum Polrad und mit umgekehrtem Drehsinn zur Polraddrehung um-2 läuft. In unserem Beispiel hatte das Polrad 76 3 Umdrehungen je Sekunde. Da das erregende Vektorsystem mit zehn Umdrehungen je Sekunde gegensinnig umläuft, ist die Relativbewegung der sechs Erregervektoren zum Stator des Hauptgenerators: 2 2 76 3 - 10 = 66 3 Umläufe / sec = relative Umlaufzahl In einem sechspoligen Stator entsteht dann eine Drehstromfrequenz von 2 12 66 3 x 6 = 396 3 = 396 + 4 = 400,00 Hz = Statorfrequenz Angenommen, das Polrad liefe mit einer wesentlich höheren Umdrehungszahl, nämlich mit 215 Umdrehungen je Sekunde, so ergäben sich folgende Werte: Da die Umlaufgeschwindigkeit der sechs magnetischen Erregervektoren im Stator von Generator 2 konstant ist, laufen diese 2 mit 66 3 Umläufen je Sekunde auch im Polrad um. Da das Polrad aber 215 x je Sekunde dreht, ergibt sich eine Relativbewegung 2 1 von 215 - 66 3 = 148 3 Umdrehungen je Sekunde, die das magnetische Erregerfeld relativ zu den Wicklungen des Polrades hat. The amplitude of the three-phase exciter current J e2 is determined by the regulation the preamplifier in the excitation and control device is always set so that the main generator maintains its correct output voltage. The three-phase exciter current c 'e2 with its Frequency of 60 Hz excited due to the transmission of electricity via the three-conductor rail also the pole wheel of the generator G1. A six-pole vector system is created here six rotating excitation vectors, which one with ten revolutions per second relative to the pole wheel and with the opposite direction of rotation to the pole wheel rotation by -2. In our In the example, the pole wheel 76 had 3 revolutions per second. Since the excitatory vector system rotates in opposite directions at ten revolutions per second, the relative movement is the six excitation vectors to the stator of the main generator: 2 2 76 3 - 10 = 66 3 revolutions / sec = relative number of revolutions In a six-pole stator a three-phase current frequency arises of 2 12 66 3 x 6 = 396 3 = 396 + 4 = 400.00 Hz = stator frequency Assuming the The pole wheel would run at a significantly higher number of revolutions, namely at 215 revolutions per second, the following values would result: Since the speed of rotation of the six magnetic excitation vectors in the stator of generator 2 is constant, they run 2 with 66 3 revolutions per second also in the pole wheel. Since the pole wheel is 215 times per second rotates, there is a relative movement 2 1 of 215 - 66 3 = 148 3 revolutions each Second, which is the magnetic excitation field relative to the windings of the pole wheel Has.

In der sechspoligen Rotorwicklung von G2 entsteht dann eine Erregerfrequenz 1 fe = 148 3 x 6 = 890 Hz = Erregerfrequenz Der Erregerdrehstrom J e2 wird nun auf das Polrad des Hauptgenerators übertragen und so ein rückwärts umlaufendes sechspoliges Vektorsystem aufgebaut. Es läuft mit 890 : 6 = 148 3 Umläufen je Sekunde um. Das Polrad läuft mit 215 Umläufen je Sekunde vorwärts um. Die Relativbewegung des Vektorsystems zum Stator des Hauptgenerators ist damit 1 2 Vrelativ = 215 U/sec - 148 3 U/sec = 66 3 Umläufe/Sekunde Da der Stator einen sechspoligen Aufbau hat, entsteht in seinen Wicklungen wieder die gewünschte Frequenz des Hauptgenerators mit 2 12 66 3 x 6 = 396 3 = 400 Hz = Generatorfrequenz Die nachstehende Übersicht über die abgegebene Generatorleistung und den Bedarf an Erregerleistung zeigt die Zusammenhänge deutlich.An excitation frequency then arises in the six-pole rotor winding of G2 1 fe = 148 3 x 6 = 890 Hz = excitation frequency The three-phase excitation current J e2 is now on the pole wheel of the main generator and thus a backward rotating six-pole Vector system constructed. It runs at 890: 6 = 148 3 revolutions per second. That Pole wheel rotates forward at 215 revolutions per second. The relative movement of the vector system to the stator of the main generator is thus 1 2 Vrelative = 215 U / sec - 148 3 U / sec = 66 3 revolutions / second Since the stator has a six-pole structure, in its windings again the desired frequency of the main generator with 2 12 66 3 x 6 = 396 3 = 400 Hz = generator frequency The following overview of the output Generator power and the demand for excitation power shows the relationships clear.

Synchron- Erregerge- Hilfsgene- elektroni-Haupt generator G1 nerator G2 rator G3 sche Leistung Typenleistung abgegebene abgegebener Regelgerät Erregerleistung Gleichstrom 100 kVA 7 kVA 900 Watt 3 x 200 VA 60 kVA 4,2 kVA 700 Watt 3 x 120 VA 25 kVA 1,8 kVA 300 Watt 3 x 50 VA 10 kVA 700 VA 150 Watt 3 x 30 VA Aus der Übersicht geht hervor, dass der Hauptanteil an der Erregung des Hauptgenerators rein mechanisch erbracht wird, nämlich dadurch, dass auch der Generator G2 in Rotation gehalten werden muss. Der rein elektronisch aufzubringende Anteil an der Erregerleistung liegt etwas unter 1 % der Typenleistung des Haupt generators.Synchronous exciter auxiliary generator electronics main generator G1 generator G2 rator G3 cal power Type power delivered control device excitation power Direct current 100 kVA 7 kVA 900 watts 3 x 200 VA 60 kVA 4.2 kVA 700 watts 3 x 120 VA 25 kVA 1.8 kVA 300 watts 3 x 50 VA 10 kVA 700 VA 150 watts 3 x 30 VA From the overview it can be seen that the main part of the excitation of the main generator is purely mechanical is provided, namely in that the generator G2 is also kept rotating must become. The purely electronically generated portion of the excitation power is slightly below 1% of the type output of the main generator.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann das Polrad des Synchron-Hauptgenerators und auch das des Erregergenerators zur Beschleunigung der Ummagnetisierung zusätzlich zu seiner als Primärwicklung fungierenden Erregerwicklung eine niederohmige Sekundärwicklung sehr niedriger Windungszahl, vorzugsweise eine Kurzschlusswicklung mit nur einer Windung aus Widerstandsmaterial, aufweisen. According to a further proposal of the invention, the pole wheel of the synchronous main generator and also that of the exciter generator to accelerate the magnetization reversal a low-resistance secondary winding in addition to its exciter winding acting as the primary winding very low number of turns, preferably a short-circuit winding with only one Winding made of resistance material.

Claims

1. Arrangement for carrying out the process for controllable operation an electrical three-phase generator (synchronous generator) by feeding the excitation winding its pole wheel with three-phase current in such a way that depending on the type of winding of the pole wheel a single-pole or multi-pole system in the opposite direction of rotation as the rotating pole wheel Vectors of constant amplitude of the magnetic excitation flux arises, its speed of rotation is proportional to the frequency of the three-phase current fed into the field winding, so that the orbital movements of the vector system and the pole wheel are superimposed and the output frequency of the generator, which is determined by the relative movement of the vector system to the stator is determined by changing the frequency and the size of the output voltage of the generator by changing the amperage of the three-phase current feeding the field winding can be regulated according to patent ........ (application P 24 21 710.5), characterized by a machine set, consisting of the synchronous generator (main generator) and a mechanically coupled exciter generator as well as a common one for both Drive machine, the number of pole pairs of stator and rotor each being one of the the same for both generators, but the ratio of the speeds for both generators both pole wheels are dependent (i.e. the same number of pole pairs with a speed ratio of 1: 1 in both generators; at a speed ratio of 2: 1 double Number of pole pairs with the slower running generator) and the stator of the exciter generator is excited with a three-phase current from the main generator setpoint frequency, so that in Stator of the exciter generator a single-pole or multi-pole, the pole wheel of the exciter generator Exciting system of rotating magnetic excitation vectors of constant amplitude arises, which is superimposed in the same direction on the orbital movement of the pole wheel and thereby In the three-phase winding of the exciter pole wheel, an exciter three-phase current with the differential frequency both revolving movements generated, which of the pole wheel winding of the main generator circulating magnetic excitation vectors are also generated there, which rotate against the direction of rotation of the pole wheel of the main generator and the Superimpose orbital movement of this pole wheel and thereby the main generator with the excite in the stator of the exciter generator fed frequency so that the Output frequency of the main generator by the size of the frequency and the size the amplitude of the output voltage through the current strength of the stator of the exciter generator feeding three-phase current are adjustable.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the synchronous main generator and the exciter generator coupled directly and through a common pole wheel shaft the three-phase windings of the two pole wheels by rotating with the common shaft electrical conductors are constantly connected (without slip ring contacts).

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that an additional Three-phase auxiliary generator with the shaft of the synchronous main generator or the exciter generator is coupled, which is arranged so that it is via a three-phase rectifier a quartz-controlled electronic excitation and control device that feeds the Supply of the stator of the exciter generator serving three-phase current with the main generator setpoint frequency supplies.

4. Arrangement according to one of claims 1-3, characterized by a Monitoring and stabilizing the synchronous main generator output voltage Control amplifier, which adjusts the amplitude of the excitation in the event of deviations from the nominal value of the exciter generator readjusts.

5. Arrangement according to claim 4, characterized in that in the electronic excitation and control device quartz crystals, logic registers, delay lines, Control amplifiers and power amplifiers made of semiconductors are arranged in such a way that A frequency-stable and voltage-appropriate excitation of the exciter generator is achieved will.

6. Arrangement according to one of claims 1-5, characterized in that that when several are connected in parallel, one synchronous main generator and one associated exciter generator comprehensive sets of machines a single main exciter and control device as a control element for the individual Machine sets associated control and regulating devices is provided, so that a special phase control management not applicable.

7. Arrangement according to claim 1, characterized in that the pole wheel the synchronous main generator and the exciter generator to accelerate the magnetization reversal in addition to its primary winding, a low-resistance excitation winding Secondary winding with a low number of turns, preferably with a short-circuit winding only one turn.

L e r s e i t e