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Beschreibung: gem. § 5 PatAnmVo vom 29. Mai 81
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1.1. Bezeichnung der Erfindung gem. § 35 Abs. 1 Patentgesetz: Generatoranordnung
zur Erzeugung einer Konstantfreguenz bei nicht konstanter Wellendrehzahl.
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2.1. Aufgabe: Die o.g. Anordnung soll Anwendung finden bei stationären
oder nicht stationären Stromerzeugungsanlagen, die durch besondere Anforderungen
den Stromerzeuger (Generator) nicht mit konstanter Drehzahl zur Erzielung einer
Konstantfrequenz antreiben können.
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2.2. Beispiel: Das Beispiel erläutert den Anwendungsfall bei einem
Schiff beliebiger Gattung, dessen Propreller mit Schweröldiesel betrieben werden
die gleichzeitig den Hauptgenerator (intern.
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gebr. Bez.
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Shaftalternator) antreiben sollen.
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Aus wirtschaftlichen Gründen werden Schiffe ab einer gewissen Grösse
mit Schweröldiesel betrieben. Da die Brennstoffkosten sehr niedrig sind wird parallel
zum Propeller auch ein Stromerzeuger angetrieben.
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Der Stromerzeuer braucht eine Konstantdrehzahl; die Geschwindigkeit
des Schiffes wird über die Flügelstellung der Propeller gesteuert oder aber auch
über die Propellerdrehzahl. Es ergibt sich hier eine gewisse Unvereinbarkeit der
Gegebenheiten, die es erfordert eine Anordnung zu ersinnen, die bei nicht konstanter
Wellendrehzahl eine elektrische konstante Frequenz erzeugt.
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3. Stand der Technik 3.1. stufenloses Getriebe: Stufenlose Getriebe
zum Beikoppeln können nicht verwendet werden, da die Übertragungsleistungen zu groß
sind.
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Die Firma Siemens hat das Problem folgendermaßen gelöst.
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3.2. Gleichstrom-Zwischenkreis Ein hochpoliger Wellengenerator läuft
direkt auf der Hauptantriebswelle für den Propeller mit. Der Stator ist um die Welle
gebaut.
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Da die Wellendrehzahl sehr niedrig ist (etwa 150 U/min.), wird der
Generator sehr schwer und gross (etwa 25 tons/MVA). Der erzeugte 3-Phasenstrom mit
einer Drehzahl abhängigen Frequenz von etwa 40-50 Hz wird über 6-pulsige Brücken
gleichgerichtet. Aus dem so gewonnenen Gleichstrom wird mit Hilfe von gesteuerten
Leistungsthyristoren 3-phasen Drehstrom mit fester Frequenz hergestellt.
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Die benötigte Blindleis-tung muss von den Hilfsgeneratoren geliefert
werden, die zu diesem Zwecke von dem Hilfsdiesel abgekoppelt, als leerlaufende Blindleistungserzeuger
betrieben werden. Dies ist die gängige, oft praktizierte Lösung des Problems.
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Anmerkung: Im Juli 83 wurde diese Lösung 9 mal bei Grosscontainerschiffen
angewendet, die von der Rotchinesischen Staatsreederei COSCO bei 3 deutschen Werften
geordert wurden. (3x SG Flensburg, 3 x AG Weser, 3 X HDW)
4. Lösung:
Ein spezieller Stromerzeuger wird mit Hilfe eines Übersetzungsgetriebes vom 2. Wellenende
des Hauptdiesels angetrieben.
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Der Stromerzeuger sollte zweckmässigerweise 4-polig sein und als
Nenndrehzahlbereich etwa looo-1200 U/min. bei additiver oder 2200-1800 U/min. bei
subtraktiver Überlagerung haben, wenn 50 Hz erzeugt werden sollen. 6 oder höherpolige
Stromerzeuger und andere Drehzahlbereiche sind prinzipiell denkbar, aber nicht wirtschaftlich.
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Als Stromerzeuger wird eine Assynchronmaschine mit 4-poligem Läufer
und 3 Schleifringen verwendet.
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Die Läuferwicklung ist als Drehstromwicklung ausgelegt und im Stern
oder Dreieck geschaltet.
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Die Stromerzeugerwelle wird mechanisch durch das Getriebe angetrieben;
dem Läufer wird ein Drehfeld von aussen über Schleifringe zugeführt. Dieses Drehfeld
hat eine variable Umlaufgeschwindigkeit. Bei Überlagerung entsteht an den Hauptklemmen
eine Festfrequenz.
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Es gilt:
Um die Ausgangsspannung konstant zu halten, muss auch die Amplitude des Läuferfeldes
nachgeregelt werden.
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Zur Erzeugung der Läuferfrequenz wird ein kleinerer Hilfsgenerator
benutzt, der von einem Gleichstrommotor angetrieben wird.
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Der Gleichstrommotor ist drehzahlgeregelt. Der Istwert wird an den
Klemmen des Hauptgenerators gemessen und soll konstant z.B. 50 Hz betragen. Wird
die Wellendrehzahl niedriger, muss Hilfsgenerator (Gleichstrommotor) schneller laufen
(bei additiver Überlagerung), um eine höhere Frequenz für den Hauptrotor bereitzustellen.
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Es ist schwierig niedrige Frequenzen nahe Null herzustellen, deshalb
sollte der Drehzahlbereich des Hauptrotors so gewählt werden, daß Frequenzen nahe
Null nicht auftauchen.
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Durch Regelung des Stromes im Läufer des Hilfsgenerators wird die
Amplitude des frequenzvariablen Hauptgeneratorläuferdrehfeldes geändert.
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Die Leistung für den Gleichstrommotor wird dem Hauptgenerator über
eine geregelte 6-pulsige Brücke entnommen. Der Gleichstrommotor führt diese Leistung
jedoch über das Läuferdrehfeld zurück. Dabei entstehen Wirkverluste, die bei der
Dimensionierung der Maschinen berücksichtigt werden müssen.
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5. Vorteile gegenüber dem bisherigen Stand der Technik Die Kosten
für die praktizierte Lösung betragen etwa DM 1.2 Mio/ MVA.
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5.1 Anschaffungskosten Die Kosten des beschriebenen Verfahrens wären
etwa nur 20.
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5.2. Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad bei der heute praktizierten Lösung
liegt unter 70%.
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Bei dem beschriebenen Verfahren liegt er bei 90% - 94.
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5.3. Gewicht Die beschriebene Anlage hat nur etwa 10% des Platzbedarfes
und Gewichtes.
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5.4. Wartung Die beschriebene Anlage ist aus Maschinensätzen und einfachen
Regelkreisen aufgebaut, die ein allgemein geschulter Elektrotechniker warten kann.
Die praktisierte Lösung besteht aus hochkomplizierter Elektronik, die nur von Spezialisten
gewartet werden kann.
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5.5. Blindstromkompensation Eine Blindstromkompensation ist bei dem
beschriebenen Verfahren nicht notwendig.
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Erläuterung zur Zeichnung 1. Regelkreise 1.1. Frequenzregelung Die
Istfrequenz wird von dem Regler 1 erfasst und über das Stellglied (gesteuerter Gleichrichter
(1)) wird die Drehzahl des DC-Motors nachgefahren bis die Sollfrequenz z.B.
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50 Hz erreicht ist.
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1.2. Spannungsregelung Der Istwert der Spannung wird vom Regler 2
erfasst und über das Stellglied 2 auf den Rotor des Hilfsgenos gegeben.
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Die Spannung wird solange nachgeführt bis die Versorgungsspannung
den Sollwert z.B. 380 V erreicht hat. Diese Spannung muss auch der Drehzahländerung
folgen da Wurst = f("DC-Motor) ist 2. Dimensionierung 2.1. Der Hauptgenerator Es
gilt: P Ju MeL Typ P = Typenleistung PTyp = Typenleistung Q = 2 v f ~ Drehzahl MeL
= elektrisches Moment Wenn die Drehzahl des Hauptgenos fällt, geht auch PTyp zurück
Typ PTyp ru w. Gleichzeitig wird aber auch ein frequenzerhöhtes Typ (bei add. Superposition)
Drehfeld in den Rotor eingegebeil, das zur Typenleistung add. werden kann.
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Unter dieser Bedingung wenn: + (&> + U = const rotor welle
gilt PTYP P konstant.
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Typ Der Hauptgeno muss aber die Versorgungsleistung für den DC-Motor
liefern, so dass eine Überdimensionierung des Hauptgenos nötig ist. Will man einen
bestimmten Drehzahlbereich an ausgleichen, so muss die Überdimensionierung proportional
tn sein.
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Wenn man an in Prozent bezogen auf Nenndrehzahl angibt, so muss der
Hauptgeno um die gleiche Prozentzahl erhöht werden. Darüber hinaus sind die Verluste
in der Anordnung zu berücksichtigten.
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2.2. DC-Motor Die Leistung des DC-Motors muss der Prozentzahl von
6 n entsprechen, bezogen auf die Typenleistung des Hauptgenos.
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Also A n = 20 % Wenn = 1500 U/min.
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Nenn PTyp = looo kVA Dann ergibt sich PDC Motor = 200 kVA + Verluste.
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2.3. Hilfsgeno Gilt das gleiche wie unter 2.2.