DE3117587C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen autonomen elektrischen Generator der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Ein Generator mit diesen Merkmalen ist durch DE-Z Siemens-Zeit­ schrift, 1955, H. 8., S. 333-341, Kümmel, Fritz: "Verbesserung der Betriebseigenschaften von kondensatorerregten Asynchron­ generatoren durch Sättigungsdrosseln" bekannt. Hierbei wird der für die Erregung einer Dreiphasen-Asynchronmaschine erforderli­ che Magnetisierungsblindstrom durch Kondensatoren erzeugt, die in einer mit den Phasen der Asynchronmaschine verbundenen Drei­ eckschaltung angeordnet sind. Zur Kompensation der überschüssi­ gen Blindleistung bei Leerlauf oder Teillast dienen Drosselspu­ len mit scharfem Sättigungsknick (Sättigungsdrosseln), die ebenfalls in einer mit den drei Phasen der Asynchronmaschine verbundenen Dreieckschaltung angeordnet sind. Dabei entstehen Oberwellen, von denen die 5. und 7. Harmonische am meisten zur Verzerrung der abgegebenen Spannung beitragen. Zur Beseiti­ gung dieser Verzerrungen wird eine Schaltung vorgeschlagen, bei der eine Sternschaltung aus drei weiteren Sättigungsdrosseln vorgesehen ist, deren Mittelpunkt mit der Nullphase der Asyn­ chronmaschine verbunden ist. Bei dieser Anordnung ergänzen sich bei der 5. und 7. Harmonischen die drei Teilströme zu null, so daß diese Oberwellen in der abgegebenen Spannung nicht mehr auf­ treten. Es ist ein Nachteil dieser bekannten Lösung, daß ein Nulleiter benötigt wird.

Durch die Literaturstelle "Der ferromagnetische Spannungs­ stabilisator", Philippow, E., Akademische Verlagsgesellschaft Leipzig 1968, S. 5-6, 11-14, 141-142, ist eine Anordnung zur Spannungsstabilisierung bekannt, der eine zu stabilisierende Wechselspannung angeboten wird und deren Resonanzkondensator zur Kompensation des Blindstroms eingesetzt werden. Falls mit dieser bekannten Anordnung ein selbsterregter Asynchrongenera­ tor der eingangs beschriebenen Art bezüglich der Spannung stabilisiert werden soll, muß an die drei Phasen der Asynchron­ maschine mit Kondensator jeweils ein Frequenzstabilisator angeschlossen werden, was zu einem sehr beträchtlichen Aufwand führt.

Zum einschlägigen Fachgebiet gehören weiterhin Stromrichter­ anordnungen und Spannungskonstanthalter, deren Stand der Technik beispielhaft beschrieben ist in Hütte, "Elektrische Energie­ technik", Bd. 2, Geräte, 29. Aufl., Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1978, S. 146-148, Lexikon der Energie­ technik und Kraftmaschinen, Deutsche Verlags-Anstalt Stuttgart, 1965, S. 237, S. 226-228, Hütte IV A, Elektrotechnik, Teil A, 28. Aufl., Verlag von Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin, 1957, S. 451-452, oder in der DE-AS 10 15 530.

Ausgehend von einem autonomen elektrischen Generator der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Selbst­ erregung, Stabilisierung und Kompensation zu schaffen, die an die drei Phasen des Asynchrongenerators anschließbar ist und zum Zwecke der Selbsterregung, Stabilisierung und Kompensation möglichst wenige Elemente benötigt.

Die Lösung dieser Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale im Patentanspruch 1 angegeben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausfühungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungsfigur beschrieben, die teilweise in Blockdarstel­ lung die elektrische Schaltung eines autonomen Generators zeigt.

Dieser autonome elektrische Generator 1 umfaßt einen Primär­ antrieb 2, der beispielsweise eine Brennkraftmaschine sein kann und mit einer Dreiphasen-Asynchronmaschine 3 gekoppelt ist.

Die Wicklungen der Asynchronmaschine 3 können in Stern­ schaltung oder in Dreieckschaltung geschaltet sein. Im ersteren Fall kann ein neutraler Leiter N mit der Mitte des Sterns und der Last verbunden sein.

Ein Drehzahlmesser 4 überwacht die Drehzahl der Welle 2 a des Primärantriebs 2 und gibt ein der Drehzahl entsprechen­ des elektrisches Signal ab. Eine Regeleinrichtung für die Drehzahl des Primärantriebs 2 ist mit 5 bezeichnet.

Ein Frequenzsensor 6 ist dem Ausgang einer Phase der Drei­ phasen-Asynchronmaschine 3 parallel geschaltet. Der Ausgang des Frequenzsensors 6 ist mit einem ersten Eingang 5 a der Regeleinrichtung 5 verbunden, deren zweiter Eingang 5 b mit dem Drehzahlmesser 4 verbunden ist.

Ferner sind zwei Gruppen 8 und 9 mit jeweils drei im Drei­ eck geschalteten L-C-Serienresonanzkreisen vorgesehen, wo­ bei die Spitzen des jeweiligen Dreiecks mit dem Ausgang jeweils einer Phase der Asynchronmaschine 3 verbunden sind.

Die Kondensatoren einer jeden Gruppe haben übereinstimmende Kapazität. Ähnlich haben die Induktivitäten übereinstimmen­ de Induktivitätswerte.

Die Kondensatoren der beiden Resonanzkreisgruppen 8 und 9 sind mit 14 bzw. 16 bezeichnet. Die Induktivitäten sind mit 15 bzw. 16 bezeichnet.

Die Kondenatoren 14, 16 sind den Wicklungen der Dreiphasen- Asynchronmaschine 3 parallel geschaltet. Die aus dieser Parallelschaltung sich ergebende Gesamtkapazität muß der­ art bemessen sein, daß bei Betrieb alle Kondensatoren zu­ sammen mit den Wicklungen der Asynchronmaschine 3 drei Stromkreise bilden, die eine Resonanzfrequenz haben, welche der Drehzahl des Läufers entspricht. Die Kondensatoren liefern beim Betrieb der Asynchronmaschine 3 die Blind­ leistung, welche für ihren Betrieb nötig ist, und bilden somit das Felderregungssystem der Asynchronmaschine 3.

Bekanntlich ändert sich beim Betrieb die von der Asynchron­ maschine 3 dargestellte Induktivität mit Änderungen des Speisestroms. Entsprechend ändern sich bei einer Lastände­ rung die Resonanzbedingungen des durch die Kondensatoren und die Asynchronmaschine 3 gebildeten Resonanzkreises, und diese Änderung führt bekanntlich zu einer Änderung des Koeffizienten der erzeugten Spannung.

Ferner muß berücksichtigt werden, daß die Last L üblicher­ weise durch Impedanzen bestimmt ist, die eine induktive Blindkomponente haben. Entsprechend ändert sich mit einer Laständerung auch die den Kondensatoren parallel liegende äquivalente Induktivität. Dies führt zu einer weiteren Ver­ änderung der Resonanzbedingungen des vorstehend beschrie­ benen Systems, womit eine weitere Änderung des Koeffizienten der erzeugten Spannung verbunden ist.

Um diese Änderungen des Koeffizienten der erzeugten Spannung zu begrenzen, und zwar bei Änderung zwischen Leerlauf- und Lastbetrieb und bei Änderung der Last selbst, ist es erfor­ derlich, den autonomen Generator 1 mit einem Regelsystem zu versehen, das diese Änderungen der Induktivitäten kompen­ siert, die durch die Eigenschaften der Asynchronmaschine 3 selbst und durch Laständerungen bedingt sind. Zu diesem Zweck ist eine Gruppe 22 von drei im Dreieck geschalteten Sättigungsdrosseln 23 vorgesehen, wobei die Spitzen des Dreiecks mit jeweils einer Phase der Asynchronmaschine 3 verbunden sind.

Jede Sättigungsdrossel 23 ist durch eine Induktivität mit einem Kern gebildet, dessen Kernbleche ein Material mit gerichteten Kristallen und damit eine Vorzugsrichtung der Magnetisierung aufweisen. Diese Sättigungsdrosseln 23 sind so bemessen, daß sie im Betrieb immer gesättigt sind, was bedeutet, daß sie in einem Abschnitt ihrer Magnetisierungs­ kurven betrieben werden, in dem größere Änderungen des Magnetisierungsstroms nur sehr kleine Änderungen des Koeffi­ zienten der anliegenden Spannung zur Folge haben.

Die Gruppe 22 der drei Sättigungsdrosseln 23 hat die Funk­ tion eines echten Spannungsreglers und ermöglicht die Be­ grenzung von Spannungsänderungen auf einen sehr schmalen Bereich.

Da bekanntlich Sättigungsdrosseln ein nichtlineares Magne­ tisierungsverhalten haben, ergibt sich bei Anliegen einer sinusförmigen Spannung eine sehr starke Stromverzerrung, so daß der Strom starke ungeradzahlige harmonische Komponenten enthält.

Es hat sich gezeigt, daß die ungeradzahligen Harmonischen mit stärkstem Anteil die dritte, fünfte, siebente und neunte Harmonische sind.

Die dritte und die neunte Harmonische stören den Betrieb der Asynchronmaschine 3 bzw. deren Last L nicht wesentlich, da sie nur in der Dreieckschaltung 22 der Sättigungsdrosseln 23 auftreten.

Das Vorhandensein der fünften und siebenten Harmonischen führt jedoch zu einer Verzerrung der an der Last L anlie­ genden Spannung.

Um diese Verzerrung zu verringern, haben die Induktivitäten 15 vorteilhaft Induktivitätswerte, die zusammen mit den Kondensatoren 14 eine Filterwirkung zur Folge haben, wobei die Resonanzwirkung bei der Frequenz der fünften Harmonischen der Frequenz eintritt, die die von der Asynchronmaschine 3 abgegebene Spannung hat.

Ähnlich haben die Induktivitäten 17 jeweils einen derartigen Wert, daß sie mit dem jeweiligen Kondensator 16 Filter bil­ den, deren Resonanzfrequenz bei der siebten Harmonischen der Frequenz liegt, die die von der Asynchronmaschine 3 abgege­ bene Spannung hat.

Bei Betrieb ohne Last dreht der Primärantrieb 2 die Asyn­ chronmaschine 3, die dann durch ihre Restmagnetisierung und die mit den Kondensatoren 14 und 16 ausgetauschte Blind­ energie erregt wird.

Bei diesem Betrieb ohne Last wird die Asynchronmaschine 3 an dem Schnittpunkt der Erregerkurve und der Charakteristik der Kondensatorgruppe betrieben, so daß sie eine Spannung erzeugt, deren Frequenz von der Läuferdrehzahl abhängt.

Der Betrieb der Asynchronmaschine unter Last ändert sich be­ kanntlich entsprechend dem Verhalten des Primärantriebs. Da ein Leistungsfluß vom Läufer zum Ständer der Asynchronma­ schine 3 möglich ist, muß der Läufer eine Drehzahl haben, die größer als diejenige des im Luftspalt umlaufenden Feldes ist. Wenn der Primärantrieb 2 nun bei Laständerungen eine konstante Drehzahl beibehalten soll, so muß sich die Frequenz der von der Asynchronmaschine 3 abgegebenen Spannung ver­ ringern. Deshalb muß der Primärantrieb 2 zur Konstanthaltung der Frequenz der abgegebenen Spannung seine Drehzahl mit zunehmender Last L erhöhen. Zu diesem Zweck überwacht der Drehzahlmesser 6 die Augenblicksfrequenz der erzeugten Spannung und wirkt entsprechend auf die Regeleinrichtung 5 des Primärantriebs 2 ein, so daß die Frequenz der erzeugten Spannung im wesentlichen konstant gehalten wird.

Claims (4)

1. Autonomer elektrischer Generator mit einem Primärantrieb und einer damit gekoppelten, als Generator arbeitenden Dreiphasen- Asynchronmaschine,
mit jeweils einem Kondensator in Dreieckschaltung zur Selbsterre­ gung, deren Kapazitätswerte so bemessen sind, daß sie beim Be­ trieb zusammen mit den Wicklungen der Asynchronmaschine (3) drei Stromkreise mit einer der Läuferdrehzahl der Asynchronmaschine (3) entsprechenden Resonanzfrequenz bilden,
mit drei in einer mit den drei Phasen der Asynchronmaschine ver­ bundenen Dreieckschaltung (22) angeordneten Sättigungsdrosseln (23) zur Spannungsstabilisierung und mit Mitteln zur Kompensation von Oberschwingungen,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine erste mit den drei Phasen der Asynchronmaschine (3) verbundene Dreieckschaltung (8) vorgesehen ist, in deren Zweigen jeweils ein Teil des Kondensators (14) und eine mit ihm in Reihe geschaltete Induktivität (15) angeordnet sind,
daß eine zweite mit den drei Phasen der Asynchronmaschine (3) verbundene Dreieckschaltung (9) vorgesehen ist, in deren Zweigen jeweils der andere Teil des Kondensators (16) und eine mit ihm in Reihe geschaltete Induktivität (17) angeordnet sind, und wobei zur Kompensation die von den Induktivitäten und Konden­ satoren der ersten Dreieckschaltung (8) gebildeten L/C-Serien- Resonanzkreise mittels der Induktivitäten auf die fünfte und die aus der zweiten Dreieckschaltung (9) gebildeten L/C- Serien-Resonanzkreise mittels der Induktivitäten auf die siebte Harmonische der Frequenz der von der Asynchron­ maschine (3) erzeugten Spannung abgestimmt sind.

2. Generator nach Anspruch 1, bei dem der Primärantrieb eine Brennkraftmaschine ist und ein Drehzahlmesser zur Abgabe eines der Wellendrehzahl des Primärantriebs entsprechenden elektri­ schen Signals sowie eine mit dem Drehzahlmesser verbundene Regeleinrichtung zur Regelung der Drehzahl des Primärantriebs vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein Frequenzsensor (6) an eine Phase der Asynchronmaschine (3) angeschlossen ist und daß der Ausgang des Frequenzsensors (6) mit der Regeleinrichtung (5) des Primärantriebs (2) verbunden ist.

3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Sättigungsdrossel (23) eine mit einem Kern versehene Induktivität ist.

4. Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern einer jeden Sättigungsdrossel (23) aus Kernblechen mit Vorzugsrichtung der Magnetisierung aufgebaut ist.