DE4218298C2

DE4218298C2 - Permanenterregtes Generatorsystem

Info

Publication number: DE4218298C2
Application number: DE4218298A
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Okamoto; Katsuhiko Kibe
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-06-04
Filing date: 1992-06-03
Publication date: 1997-02-27
Anticipated expiration: 2012-06-04
Also published as: GB2256509B; CA2063643A1; JP2738605B2; GB2256509A; US5206580A; DE4218298A1; CA2063643C; GB9208200D0; JPH056232A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein permanenterregtes Generatorsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges gattungsbildendes Generatorsystem ist beispielsweise aus der DE-OS 26 59 600 bekannt.

Die Fig. 1 und 2 der Anmeldung zeigen jeweils anhand einer Querschnittsdarstellung eine Vorderansicht bzw. eine Seitenansicht eines herkömmlichen permanenterregten Syn chrongenerators. Der permanenterregte Synchrongenerator weist ein Gehäuse 31, eine Rotorwelle 36, Lager 32 und 33, in denen die Rotorwelle 36 gelagert ist, einen Statorkern 34, eine Statorwicklung 35 (Ausgangswicklung) sowie Perma nentmagnete 37 auf, die zur Erzeugung eines magnetischen Drehfelds an der Rotorwelle 36 befestigt sind. Der Stator kern 34 und die Statorwicklung 35 bilden zusammen einen An ker bzw. den Stator.

Im Betrieb hängt der vom permanenterregten Synchronge nerator erzeugte magnetische Fluß von den Betriebscharakte ristiken zwischen der magnetischen Flußdichte B der zur Er zeugung eines rotierenden Magnetfelds dienenden Permanent magneten und der magnetischen Spannung H bzw. Magneto-EMK ab, wobei die Ausgangsspannung des permanenterregten Syn chrongenerators in Abhängigkeit vom Laststrom schwankt. Der nacheilende Strom unter den Komponenten des Laststroms hat eine entmagnetisierende Wirkung, welche die Ausgangsspan nung verringert. Der voreilende Strom hat demgegenüber eine magnetisierende Wirkung, welche die Ausgangsspannung er höht. Die Ausgangsspannungscharakteristiken eines derarti gen permanenterregten Synchrongenerators sind folglich vom Last/Leistungsfaktor abhängig, weshalb dieser permanenter regte Synchrongenerator nicht in der Lage ist, seine Aus gangsspannung auf einem konstanten Wert zu halten. Ein per manenterregter Synchrongenerator dieser Art wurde daher bislang nur für solche eingeschränkte Zwecke herangezogen, bei denen keine Steuerung des permanenterregten Synchronge nerators erforderlich ist und Spannungsschwankungen keine Probleme bereiten. Im übrigen ist es bekannt, eine auf Ze ner-Dioden basierende Spannungsregelungsschaltung in Ver bindung mit einem permanenterregten Synchrongenerator von vergleichsweise kleiner Kapazität bzw. Leistung zu verwen den, um gemäß der Darstellung in Fig. 3 eine Leistungsquel le mit konstanter Spannung zur Verfügung zu stellen.

Im einzelnen zeigt Fig. 3 ein herkömmliches Generator system mit einem permanenterregten Synchrongenerator 1, ei nem Spannungsdetektor 5 zum Erfassen der über den beiden Phasen des permanenterregten Synchrongenerators 1 anliegen den Spannung, Unterbrecher 9, die in den jeweiligen Leitun gen der Phasen angeordnet sind, eine über eine Wellenkupplung mit dem permanenterregten Synchrongenerator 1 direkt gekoppelte Antriebsmaschine 10, eine Last 11, drei Paare von Zener-Dioden 40 sowie Strombegrenzungswiderstände 41. Jeweils zwei gepaarte Zener-Dioden 40 sind gegensinnig zu einander seriell zwischen zugeordneten Phasen angeordnet. Wenn die Ausgangsspannung des permanenterregten Synchronge nerators einen bestimmten Wert überschreitet, wird eine der zwei gepaarten Zener-Dioden 40 leitend und schneidet da durch die betreffende Spannungsspitze ab, so daß der Last 11 eine konstante Spannung zugeführt wird.

Da ein herkömmlicher permanenterregter Synchrongenera tor die vorstehend erläuterten Eigenschaften hat, ist ein derartiges Abschneiden bzw. Begrenzen von Spannungsspitzen erforderlich, um eine konstante Spannung zu erzielen. Daher ist der Betriebswirkungsgrad eines derartigen permanenter regten Synchrongenerators sehr gering und der permanenter regte Synchrongenerator ist ferner nicht in der Lage, die Spannung wieder aufzubauen, wenn die Spannung aufgrund ei ner Änderung in der Last bzw. der Belastung zu sinken be ginnt. Weitere technische Einzelheiten über einen derarti gen herkömmlichen permanenterregten Synchrongenerator sind beispielsweise in der japanischen Gebrauchsmusteroffenle gungsschrift 60-3670 offenbart.

Aus der gattungsbildenden DE-OS 26 59 600 ist ein Gene ratorsystem bekannt, bei dem ein Komparator eine erfaßte Ausgangsspannung der permanenterregten Maschine mit einer vorgegebenen Soll-Spannung vergleicht, wobei die Ausgangs spannung derart geregelt wird, daß aufgrund des Vergleichs des Komparators ein bestimmter Teil der Ankerwicklung der Maschine kurzgeschlossen wird. Da jedoch nur ganz bestimmte vordefinierte Teile der Ankerwicklung kurzgeschlossen wer den können, kann auch in diesem Fall die Ausgangsspannung zu einer sich ändernden Last nur in etwa konstant gehalten werden.

Aus der DE-PS 11 70 057 ist ein Verfahren zur Kompensa tion von kurzzeitigen Spannungsschwankungen eines Netzes unter Verwendung eines in der Blindleistungsabgabe und -aufnahme gemäß einer Sollwertvorgabe geregelten Phasen schiebers bekannt, dessen Erregerstrom durch eine Erreger strom-Regelungsschaltung bzw. einer Steuereinheit in Abhän gigkeit des Ausgangssignals eines Komparators gesteuert wird. Auch wenn dieser Druckschrift zu entnehmen ist, daß zur Aufschiebung einer vorübergehenden Spannungsschwankung von dem Phasenschieber eine Blindleistung in das Netz ge liefert wird, bleibt jedoch offen, um welche konkreten Maß nahmen es sich hierbei handelt.

Aus der DE 34 35 303 C2 ist lediglich ein nicht-perma nentmagneterregter Synchronmotor bekannt, dessen Drehzahl in Abhängigkeit einer Erregereinrichtung gesteuert wird. Dieser Motor weist jedoch weder einen synchronen Phasen schieber zur Kompensation von lastabhängigen Ausgangsspan nungen noch eine Regelungseinrichtung für einen derartigen Phasenschieber auf.

Ferner ist aus der DE 33 10 781 C2 eine Blindleistungs maschine für eine Energieversorgungseinrichtung bekannt, bei der elektrische Verbraucher von einem Generator mit va riabler Frequenz über statische Umrichter und eine Indukti vität gespeist werden und dem Umrichter die Blindleistungs maschine zugeordnet ist. Auch dieser Druckschrift ist nicht zu entnehmen, wie ein synchroner Phasenschieber zur Kompen sation von lastabhängigen Spannungsschwankungen anzuordnen und anzusteuern ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das gattungsbildende Generatorsystem derart weiterzubilden, daß die Ausgangsspannungscharakteristik hinsichtlich der Aus gangsspannungskonstanz bei Lastschwankungen verbessert ist und bei einem hohen Betriebswirkungsgrad konstant gehalten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kenn zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkma len gelöst.

Insbesondere durch die Verbindung des synchronen Pha senschiebers mit der Ausgangsseite des permanenterregten Synchrongenerators und der besonderen Steuerung des dem synchronen Phasenschieber zugeführten Erregerstroms kann der Ausgangsstrom des permanenterregten Synchrongenerators derart gesteuert werden, daß der Betriebswirkungsgrad hoch ist und die Ausgangsspannung konstant bleibt.

In den Unteransprüchen 2 bis 6 sind vorteilhafte Ausge staltungen der Erfindung gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be schrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 anhand eines halben Längsquerschnitts den grund sätzlichen Aufbau eines typischen permanenterregten Syn chrongenerators;

Fig. 2 einen seitlichen Querschnitt entlang einer in Fig. 1 gezeigten Linie II-II;

Fig. 3 ein Schaltbild eines herkömmlichen Generatorsy stems;

Fig. 4 anhand eines Blockschaltbilds den prinzipiellen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels des Generatorsy stems;

Fig. 5 ein Kennlinienfeld zur Erläuterung der Eigen schaften von Permanentmagneten, die als Feldmagnete eines im Generatorsystem der Fig. 4 verwendeten permanenterregten Synchrongenerators dienen;

Fig. 6 an Hand eines Kennlinienfelds die vereinfacht dargestellten Eigenschaften der vorstehend erwähnten, als Feldmagnete dienenden Permanentmagnete;

Fig. 7 ein für Erläuterungszwecke dienendes Zeigerdia gramm des permanenterregten Synchrongenerators;

Fig. 8 ein Kennlinienfeld der einzelnen Spannungscharakteristiken des permanenterregten Synchronge nerators;

Fig. 9 ein Kennlinienfeld der Ankerstrom-Charakteristi ken eines bei dem Generatorsystem der Fig. 4 verwendeten synchronen Phasenschiebers;

Fig. 10 ein Diagramm, das zur Erläuterung eines Magnetfluß-Steuerungsverfahrens dient;

Fig. 11 anhand einer graphischen Darstellung die Bezie hung zwischen den einzelnen Spannungscharakteristiken des permanenterregten Synchrongenerators des Generatorsystems der Fig. 4 und einer Bezugsspannung;

Fig. 12 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Ankerstrom-Charakteristiken des synchronen Phasenschiebers zum Konstanthalten der Ausgangsspannung des permanenterreg ten Synchrongenerators;

Fig. 13 anhand eines Blockschaltbilds ein zweites Ausführungsbeispiel des Generatorsystems;

Fig. 14 anhand eines Blockschaltbilds ein drittes Ausführungsbeispiel des permanenterregten Generatorsystems.

Gemäß Fig. 4 weist ein erstes Ausführungsbeispiel des magnetoelektrischen Generatorsystems einen permanenterregten Synchrongenerator 1, der Permanentmagnete zur Erzeugung eines rotierenden Magnetfelds besitzt, einen synchronen Phasenschieber 2, der mit der Ausgangsseite des permanenterregten Synchronge nerators 1 verbunden ist, eine Feldwicklung 3 des synchronen Phasenschiebers 2, eine Vielzahl von Thyristoren 4, die eine Erregerstrom-Regelungsschaltung zur Zufuhr eines Erreger stroms zur Feldwicklung 3 unter Gleichrichtung eines Wech selstromes und gleichzeitiger Steuerung eines Erregerstroms bilden, einen Spannungsdetektor 5 zum Erfassen der Ausgangs spannung des permanenterregten Synchrongenerators 1, einen Komparator 6 zum Vergleichen eines Ausgangssignals des Span nungsdetektors 5 mit einer Referenzspannung, eine Spannungs-Einstelleinrichtung 7 zum Einstellen der Re ferenzspannung, eine Steuereinheit 8 in Form einer Gate- Steuerschaltung, weiche die mit der Feldwicklung 3 des syn chronen Phasenschiebers 2 verbundenen Thyristoren 4 unter Zu grundelegung des Ausgangssignals des Komparators 6 ansteu ert, Unterbrecher bzw. Überlastschalter 9 und 13, Transfor matoren bzw. Übertrager 12 und 14, eine Antriebsmaschine 10 sowie eine Last 11 auf. Die Steuereinheit 8 ist eine Gate- Steuerschaltung, welche die Gates der Thyristoren 4 ansteu ert. In Fig. 4 sind ein Leistungsfaktor-Detektor und eine Leistungsfaktor-Einstelleinrichtung nicht dargestellt.

Bei der Inbetriebnahme wird die Antriebsmaschine 10 gestar tet. Während die Antriebsmaschine 10 zeitweilig in einem Konstant-Drehzahl-Zustand gehalten wird, bei der die An triebsmaschine 10 mit einer konstanten Drehzahl im Bereich von 10-50% ihrer Nenn-Drehzahl arbeitet, wird der synchrone Phasenschieber 2 mit dem permanenterregten Synchrongenerator 1 verbunden. In diesem Stadium ist der synchrone Phasenschieber 2 noch nicht erregt. Wenn die Dreh zahl bis in die Nähe der Synchrondrehzahl erhöht ist, wird dem synchronen Phasenschieber 2 ein im wesentlichen dem Nennstrom entsprechender Erregerstrom zugeführt, um ihn zum Erreichen des Synchronzustands bzw. Gleichlaufs zu erregen. Nach Erreichen des Gleichlaufs wird der Erregerstrom verrin gert, so daß der Leistungsfaktor des Ankerstroms I_c des syn chronen Phasenschiebers 2 beinahe gleich dem Wert 1.0 ist. Daraufhin wird die Drehzahl der mit dem permanenterregten Synchrongenerator 1 gekoppelten Antriebsmaschine 10 schnell auf ihre Nenn-Drehzahl erhöht. Beim Erhöhen der Drehzahl der Antriebsmaschine 10 wird der Erregerstrom des synchronen Phasenschiebers 2 derart eingestellt, daß der Leistungsfak tor des Ankerstroms I_c des synchronen Phasenschiebers 2 beinahe gleich dem Wert 1.0 ist. Nachdem sich die Ausgangsspannung des permanenterregten Synchrongenerators 1 der Nenn-Span nung, nämlich einer Referenzspannung, angenähert hat, wird eine Konstantspannungs-Steuerungsbetriebsart begonnen. Nach dem auf diese Weise ein Start- bzw. Anlaufvorgang zum Her beiführen bzw. Stabilisieren der Drehzahl und der Spannung des permanenterregten Synchrongenerators 1 abgeschlossen ist, wird die Last 11 an das Generatorsys tem angeschlossen.

Nachfolgend werden die Charakteristiken dieses Generatorsystems näher erläutert.

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, welche eine Änderung der Magneto-EMK bzw. magnetischen Spannung H (in Oe) bezüg lich der magnetischen Flußdichte B (in G) zeigt. Die Wirkung des beziehungsweise der Permanentmagneten des permanenter regten Synchrongenerators 1 zur Erzeugung eines rotierenden Magnetfelds - ist durch eine zurückweichende Linie BrHc darge stellt. In Fig. 5 bezeichnet Br die remanente magnetische Flußdichte bzw. Induktion, während Hc die Koerzitivkraft be zeichnet. Ein aus seltenen Erden bestehender Magnet hat eine magnetische Permeabilität µ_s ≈ 1, weshalb die Neigung der zurückweichenden Linie auf dem B-H-Koordinatensystem unge fähr 45° beträgt. Unter Belastung arbeitet der permanenter regte Synchrongenerator 1 an einem Punkt E, der zwischen ei nem Betriebspunkt C in einem offenen, unbelasteten Zustand und einem Betriebspunkt D in einem Drei-Phasen-Kurzschluß zustand liegt.

Nachfolgend wird die physikalische Bedeutung der Linienab schnitte in der graphischen Darstellung in der Fig. 5 näher erläutert. Im unbelasteten Zustand repräsentiert ein Linienabschnitt CB₁ die Amperewindungen bzw. Durchflutung (die nachfolgend mit "AT" bezeichnet wird) des unbelasteten Spalts, ein Linienabschnitt CD₁ repräsentiert den unbelaste ten magnetischen Flug in der D-Achse, d. h., das Produkt aus der magnetischen Flußdichte (Induktion) und der Fläche des Magneten, welches die Ausgangsspannung im unbelasteten Zu stand bestimmt, während ein Linienabschnitt D₁H₁ den Streufluß im unbelasteten Zustand darstellt. In einem Drei- Phasen-Kurzschlußzustand repräsentiert ein Linienabschnitt DH₃ eine Drei-Phasen-Kurzschlußentmagnetisierungs-Durchflu tung bzw. -AT, d. h., die in der d-Achse verlaufende Kompo nente der Drei-Phasen-Kurzschluß-Ankerrückwirkungs-Magneto- EMK, während ein Linienabschnitt DH₃ den Drei-Phasen-Kurz schluß-Streufluß darstellt. Im lastfreien Zustand repräsentiert ein Linienabschnitt EF die in der d-Achse verlaufende Komponente der Last-Ankerrückwirkungs-Mag neto-EMK, ein Linienabschnitt FB₂ repräsentiert die Durch flutung (AT) des belasteten Spalts, ein Linienabschnitt ED₂ repräsentiert den magnetischen Fluß im belasteten Zustand in der d-Achse, während ein Linienabschnitt D₂H₂ den Streufluß im belasteten Zustand darstellt.

Unter der Annahme, daß der Streufluß vernachlässigbar klein ist, erhält man den in Fig. 6 gezeigten Kurvenverlauf, indem der Wert der horizontalen Achse bzw. Abszisse mit einem Fak tor X₁ multipliziert wird, welcher durch den nachfolgend wiedergegebenen Ausdruck (1) zur Koordinatentransformation definiert ist:

X₁ ≡ OB₁/OH₃ (1)

Die graphische Darstellung der Fig. 6 wird durch Vernachlässigung des Streuflusses und der Spaltdurchflutung (Spalt-AT), die in Fig. 5 beide berücksichtigt sind, erhal ten. Punkte B₁, B₂ und O auf der vertikalen Achse bzw. Ordi nate in Fig. 6 entsprechend jeweils Punkten C, F′ und D₁′ in Fig. 5. Da der Streufluß vernachlässigt ist, gilt: OB₁ = D₁ und C = D₁′ C = D₁′D; OH₃= B₃D und X₁= D₁′ D/B₃ D.

Die Multiplikation der Werte der Magneto-EMK auf der horizontalen Achse ist folglich äquivalent zur Bildung ei nes Dreiecks CDD₁′ durch Verschieben von Punkten F und B₃ auf einem Dreieck CDB₃ zu jeweiligen Punkten F′ und D₁′ in Fig. 5. Die in Fig. 6 gezeigte Charakteristik kann daher er halten werden, ohne die Spaltdurchflutung (Spalt-AT) zu be rücksichtigen. In Fig. 6 repräsentiert die vertikale Achse die Charakteristiken im lastfreien Zustand, während die horizontale Achse die Charakteristiken bei einem Drei-Pha sen-Kurzschluß repräsentiert.

Die Proportionalkonstante X₁ ist ein Umsetzungsfaktor (Reak tanz) zum Umsetzen der Durchflutung (AT), d. h. dem Strom, entsprechenden Magneto-EMK in den der Spannung entsprechen den Magnetfluß und ermöglicht es dadurch, die Ankerrückwir kungs-Magneto-EMK und den Magnetfluß in Fig. 6 als gleiche skalare Größe zu behandeln. Folglich gilt:

EH₂₂ + EB₂ = OB₁ (2)

In dieser Gleichung bezeichnet EH₂₂ den d-Achsen-Magnetfluß im belasteten Zustand und entspricht EB₂ in Fig. 5, während EB₂ die d-Achsen-Komponente der Ankerrückwirkungs-Magneto- EMK im belasteten Zustand bezeichnet und EF in Fig. 5 ent spricht. Der resultierende Wert OB₁ ist gleich dem Wert OB₁ von Fig. 5 und repräsentiert den d-Achsen-Magnetfluß im un belasteten Zustand, nämlich eine intern induzierte Spannung. Gleichung (2) hat demgemäß die Bedeutung, daß die Summe des d-Achsen-Magnetflusses im belasteten Zustand und der d-Ach sen-Komponente der Ankerrückwirkungs-Magneto-EMK im belaste ten Zustand gleich dem d-Achsen-Magnetfluß im lastfreien Zustand ist.

Da ein Magnet aus seltenen Erden eine magnetische Permeabilität von µ_s≈1 hat, ist die Magneto-EMK ungefähr gleich dem Magnetfluß. Der Magnetfluß kann durch Multipli zieren des Magnetflusses mit der Anzahl der effektiven Wick lungszweige des permanenterregten Synchrongenerators 1 in eine Spannung umgewandelt bzw umgerechnet werden. Folglich gilt: (intern induzierte Spannung) = (q-Achsen-Spannung im belasteten Zustand) + (q-Achsen-Komponente der Ankerrückwir kungs-Spannung im belasteten Zustand). Dadurch werden die vereinfachten Permanentmagnet-Charakteristiken der Fig. 6 und die q-Achsen-Spannung (d-Achsen-Magnetfluß) des Zeiger diagramms der Fig. 7 in eine gegenseitige Beziehung ge bracht. In Fig. 7 bezeichnet E_f die in tern induzierte Spannung des permanenterregten Synchrongene rators 1, (X₁·I)_q die q-Achsen-Komponente der Ankerrückwir kungs-Spannung im belasteten Zustand, V_tq die q-Achsen-Kom ponente der Ausgangsspannung und δ den internen Phasenwinkel. Mit θ ist der Leistungsfaktorwinkel und mit I der Strom bezeichnet. In Fig. 7 entspricht E_f dem Wert OB₁ von Fig. 6, (X₁·I)_q entspricht EB₂ oder B₁B₂ von Fig. 6 und V_tq ent spricht EH₂₂ oder OB₂ von Fig. 6. Die Ausgangsspannung V_t läßt sich durch folgende Gleichung ausdrücken.

Die Beziehung zwischen der Spannung und dem Strom des perma nenterregten Synchrongenerators 1 läßt sich folglich durch die in Fig. 8 gezeigte Schar von einzelnen Spannungs-Charak teristiken bzw. Spannungs-Kennlinien ausdrücken. Da die q-Achsen-Komponente der Ankerrückwirkungs-Spannung für den nacheilenden Strom groß ist, fällt die Spannung mit dem Strom stark ab. Da die q-Achsen-Komponente der Ankerrückwir kungs-Spannung für den Strom eines Leistungsfaktors von 1.0 klein ist, fällt die Spannung mit dem Strom schwach ab. Da die q-Achsen-Komponente der Ankerrückwirkungs-Spannung klein ist, erhöht sich im Gegensatz dazu die der vektoriellen Zu sammensetzung bzw. dem Summenvektor der q-Achsen-Spannung und der d-Achsen-Spannung entsprechende Ausgangsspannung mit dem Strom.

Nachfolgend werden die Charakteristiken des synchronen Phasenschiebers 2 näher erläutert. Aus Fig. 9 ist zu erkennen, daß der Ankerstrom dann einen voreilenden Leistungsfaktor aufweist, wenn der Erregerstrom I_f größer als ein Strom I_f0 ist, welcher denjenigen Erregerstrom be zeichnet, bei dem der Leistungsfaktor des in den synchronen Phasenschieber 2 fließenden Ankerstroms I_c gleich 1.0 ist; der Strom des voreilenden Leistungsfaktors erhöht sich daher mit zunehmenden Erregerstrom. Wenn nun der Erregerstrom kleiner als der Strom I_f0 ist, ist der in den synchronen Phasenschieber 2 fliegende Ankerstrom I_c ein einen nachei lenden Leistungsfaktor aufweisender Strom, so daß sich der den nacheilenden Leistungsfaktor aufweisende Strom mit ab nehmendem Erregerstrom erhöht.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 10 ein Magnet fluß-Steuerungsverfahren näher erläutert. Wenn die Last 11 an den eine Leistung mit einer Ausgangsspannung V_t abgeben den permanenterregten Synchrongenerator 1 angeschlossen wird, wird ein Laststrom I_L eindeutig von der Impedanz Z der Last 11 gemäß folgender Gleichung bestimmt:

In Fig. 10 ist der aktive Strom I_p des Laststroms I_L die rechtwinklige Projektion des Laststroms I_L auf die Ausgangs spannung V_t, wobei der aktive Strom I_p durch die Antriebsma schine 10 zugeführt wird. Die durch einen Linienabschnitt 91 angegebene reaktive Spannung jX₁·I_p wird durch Multiplika tion des aktiven Stroms I_p mit X₁ erhalten. Der Schnittpunkt der intern induzierten Spannung I_f mit einem Kreis 92 ist die Position der q-Achse. Der Schnittpunkt einer geraden Linie 93, welche senkrecht zu einer den Schnittpunkt und das Ende des Vektors der Ausgangsspannung verbindenden Li nie verläuft und durch den Ursprung O geht, mit einem Linien abschnitt 94, der vom Endpunkt des Vektors des Last stroms I_L parallel zur imaginären Achse verläuft, bezeichnet den Ankerstrom des permanenterregten Synchrongenerators 1. Der Ankerstrom I_c des synchronen Pha senschiebers 2 ist mittels eines Vektors angegeben, dessen Endpunkt am Schnittpunkt der imaginären Achse mit einem Li nienabschnitt liegt, der vom Schnittpunkt 3 parallel zum Vektor des Laststroms I_L verläuft. Wenn nun der Ankerstrom I_c des synchronen Phasenschiebers 2 auf diese Weise bestimmt ist, wird der Ankerstrom I_g des permanenterregten Synchron generators 1 anhand der Fig. 4 in Verbindung mit der Glei chung (5) ermittelt. Die Ausgangsspannung V_t wird durch Sub traktion der Ankerrückwirkungs-Spannung jX₁·I_g im belaste ten Zustand von der intern induzierten Spannung E_f bestimmt. Der Ankerstrom I_c, welcher die intern induzierte Spannung E_f und die Ausgangsspannung V_t konstant macht, ist einzig vom Laststrom I_L abhängig, so daß eine Konstantspannungs-Steue rung erzielt wird.

Die q-Achsen-Komponente der auf den Laststrom zurückzuführenden Ankerrückwirkungs-Spannung wird daher durch Steuerung des reaktiven Stroms mittels des synchronen Phasenschiebers 2 gesteuert und die Ausgangsspannung V_t des permanenterregten Synchrongenerators 1 wird konstant gehal ten, indem die Vektorsumme aus der q-Achsen-Spannung (EH₂₂ in Fig. 6) und der d-Achsen-Spannung konstant gehalten wird. Die Steuereinheit 8 regelt den Erregerstrom I_f demgemäß in Übereinstimmung mit der Abweichung der erfaßten Ausgangs spannung V_t von der Referenzspannung V_b. Die Steuereinheit 8 verringert den Erregerstrom I_f, wenn gilt V_t<V_b, oder sie vergrößert den Erregerstrom I_f, wenn gilt V_t<V_b. Wenn nun der Erregerstrom I_f verringert wird, nimmt die voreilende Komponente des Ankerstroms I_c ab, d. h., die nacheilende Kom ponente des Ankerstroms I_c vergrößert sich, so daß die nach eilende Komponente des Ankerstroms I_g zunimmt, die Ankerrück wirkung zunimmt, und der d-Achsen-Magnetfluß abnimmt, um die Ausgangsspannung V_t zu verringern. Im Gegensatz dazu wird der Erregerstrom I_f zur Erhöhung der Ausgangsspannung V_t vergrößert.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 11 die Einstel lung der Referenzspannung näher erläutert. In Fig. 11 ist die individuelle Spannungscharakteristik des permanenterreg ten Synchrongenerators 1 bezüglich der Last 11 bei einem nacheilenden Leistungsfaktor von 0.8 durch eine Linie 100 angegeben. Der Schnittpunkt 105 der Linie 100 dieser indivi duellen Spannungscharakteristik mit der Spannungs-Achse ist die individuelle Spannung im lastfreien Zustand, während eine dem Nenn-Strom entsprechende Spannung 106 gleich der individuellen Nenn-Spannung im belasteten Zustand ist (eine Spannung für eine Last des Nenn-Ausgangs und des Nenn-Lei stungsfaktors). Es sei angenommen, daß die Referenzspannung so eingestellt ist, wie dies mittels einer Linie 101 ange deutet ist. Der Ankerstrom I_c (reaktive Komponente) des syn chronen Phasenschiebers 2 im lastfreien Zustand ist 0. In einem nacheilenden Lastzustand wird eine Span nungskompensation von einem Punkt 106 zu einem Punkt 107 hin durchgeführt, was einen großen nacheilenden Ankerstrom I_c erforderlich macht, wie dies durch eine Linie 200 in Fig. 12 angedeutet ist.

Wenn die Referenzspannung so eingestellt ist, wie dies durch eine Linie 103 angedeutet ist, kann der Ankerstrom I_c in ei nem Nenn-Lastzustand (reaktive Komponente) 0 sein. Jedoch ist in einem unbelasteten Zustand eine Spannungskompensation von einem Punkt 105 zu einem Punkt 108 hin erforderlich, wozu ein großer nacheilender Ankerstrom I_c benötigt wird, wie dies durch eine Linie 201 in Fig. 12 angedeutet ist. Wenn die Referenzspannung 102 zwischen der individuellen Spannung im lastfreien Zustand und der individuellen Nenn- Spannung im belasteten Zustand liegt, ist in einem lastfreien Zustand lediglich eine Kompensation um eine geringe Spannung vom Punkt 105 zu einem Punkt 109 hin mittels des nacheilenden Ankerstroms I_c erforderlich, während in einem Nenn-Lastzustand lediglich eine Kompensation um eine geringe Spannung vom Punkt 106 zu einem Punkt 110 hin mittels des voreilenden Ankerstrom I_c erforderlich ist, wie dies mittels einer Linie 202 in Fig. 12 angedeutet ist. Aus Fig. 12 ist zu erkennen, daß der Maximalwert des Ankerstroms I_c für den synchronen Phasenschieber 2 dadurch verringert werden kann, daß die Referenzspannung auf einen Wert eingestellt wird, der zwischen der individuellen Spannung im lastfreien Zu stand und der Nenn-Spannung im belasteten Zustand des perma nenterregten Synchrongenerators 1 liegt. Wenn ein Transfor mator 12 ankerseitig mit dem synchronen Phasenschieber 2 verbunden wird, kann dieser Transformator 12 von geringer Kapazität bzw. Leistung sein.

Ein Schnittpunkt 111 der die individuelle Spannungscharakteristik angebenden Linie 100 mit der die Re ferenzspannung bezeichnenden Linie 102 befindet sich zwi schen dem lastfreien Zustand und dem Nenn-Lastzustand. Der Ankerstrom I_c des synchronen Phasenschiebers 2 hat beim Schnittpunkt 111 einen Minimalwert, so daß der synchrone Phasenschieber 2 und der Transformator 12 bei diesem Schnittpunkt 111 mit dem geringsten Verlust arbeiten und das Generatorsystem in der Lage ist, den höchsten Wirkungsgrad zu erzielen.

Das Generatorsystem kann zum Erregen des synchronen Phasenschiebers 2 entweder das in Fig. 4 gezeigte statische Erregersystem oder ein bürstenlo ses Erregersystem verwenden. Das Erregersystem zum Erregen des synchronen Phasenschiebers 2 kann gemäß der Darstellung in den Fig. 4 oder 14 ein den Ausgang des permanenterreg ten Synchrongenerators 1 verwendendes selbsterregtes System oder auch ein nicht gezeigtes separates Erregersystem sein, das eine externe Stromversorgungsquelle verwendet. Gemäß Fig. 14, welche ein einen synchronen Phasenschieber mit ei nem bürstenlosen Erregersystem verwendendes Generatorsystem zeigt, wird über einen Thyristor 4, d. h., über eine Erregerstrom-Regelungsschaltung, der Feldwicklung 18 eines Wechselstrom-Erregers (Drehanker-Synchrongenerator) ein Erregerstrom zugeführt. Fig. 14 zeigt weiterhin einen Rotor 20 des, bürstenlosen synchronen Phasenschiebers 2, einen Anker 21 des Wechselstrom-Erregers einen Drehgleich richter 22 sowie eine Feldwicklung 23 des synchronen Phasen schiebers 2. Der Anker 21, der Drehgleichrichter 22 und die Feldwicklung 23 sind auf dem Rotor 20 befestigt. Der syn chrone Phasenschieber 2 ist stationär gehalten. Die übrigen Komponenten entsprechen denen der Fig. 4, weshalb zur Ver meidung unnötiger Wiederholungen auf eine erneute Erläute rung verzichtet wird.

Das Generatorsystem kann den synchronen Phasenschieber 2 entweder mittels eines Nied rigfrequenz-Startsystems starten, das dem synchronen Phasen schieber 2 gleichzeitig mit dem Start des permanenterregten Synchrongenerators 1 Strom zuführt, oder aber mittels eines Systems, das dem synchronen Phasenschieber nach Abschluß des Startens des permanenterregten synchronen Generators 1 eine volle Spannung oder eine verringerte Spannung zum Starten zuführt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 13 kann das Generatorsystem von der Vektorsumme aus dem Sekundärstrom eines Stromwandlers 15 und dem durch eine zur Doppelschlußerregung vorgese hene Drosselspule 16 fliegenden Strom Gebrauch machen, diese Vektorsumme in einen Gleichstrom umsetzen und den Gleich strom über die Erregerstrom-Regelungsschaltung einer Erre gerwicklung 3 zu führen.

Gemäß vorstehender Beschreibung besteht das Generatorsystem demgemäß aus einem perma nenterregten Synchrongenerator, einem synchronen Phasen schieber, der mit der Ausgangsseite des permanenterregten Synchrongenerators verbunden ist, einem Komparator zum Ver gleichen der mittels eines Spannungsdetektors erfaßten Aus gangsspannung des permanenterregten Synchrongenerators mit einer mittels einer Spannungs-Einstelleinrichtung einge stellten Referenzspannung sowie einer Steuereinheit, die eine mit der Feldwicklung des synchronen Phasenschiebers verbundene Erregerstrom-Regelungsschaltung in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Komparators ansteuert. Hierdurch wird erreicht, daß auf ein ineffizientes herkömmliches Span nungssteuerungsverfahren verzichtet werden kann, bei dem Spannungsspitzen, die eine vorbestimmte Spannung überschrei ten, mit Hilfe von Zener-Dioden abgeschnitten werden; das Generatorsystem ist demgegenüber in der Lage, übermäßige Spannungsabfälle zu kompensieren, so daß eine Konstantspannung-Ausgangsleistung bei hohem Wirkungs grad erzeugt werden kann. Das Generatorsystem ermöglicht es daher, den permanenter regten Synchrongenerator auch in solchen Anwendungsfällen heranzuziehen, bei denen ein permanenterregter Synchronge nerator mit großer Kapazität bzw. Leistung erforderlich ist. Die Einstellung der Referenzspannung des Generatorsystem auf einen Wert, der zwischen der Spannung im lastfreien Zustand und der Nenn-Spannung im belasteten Zu stand des permanenterregten Synchrongenerators liegt, ver ringert den Ankerstrom (reaktive Komponente) des synchronen Phasenschiebers in einen dazwischenliegenden bzw. mittleren Lastzustand auf das geringste Ausmaß. Diese Möglichkeit, den Ankerstrom des synchronen Phasenschiebers auf das geringste Ausmaß zu verringern bzw. zu minimieren, ermöglicht es dem permanenterregten Synchrongenerator, mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad zu arbeiten, und unterdrückt darüberhinaus die maximalen voreilenden und nacheilenden Ströme, weshalb der synchrone Phasenschieber lediglich eine vergleichsweise ge ringe Kapazität bzw. Leistung aufweisen kann.

Claims

1. Generatorsystem mit einem permanenterregten Synchronge nerator (1), welcher ein rotierendes Magnetfeld auf weist, der über einen Spannungsdetektor (5) zum Erfas sen der Ausgangsspannung des permanenterregten Syn chrongenerators (1) und einen Komparator (6) zum Ver gleichen der mittels des Spannungsdetektors (5) erfaß ten Spannung mit einer mittels einer Spannungs-Einstell einrichtung (7) einstellbaren Referenzspannung regel bar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
an der Ausgangsseite des permanenterregten Synchronge nerators (1) ein synchroner Phasenschieber (2) angeschlos sen ist, daß dessen Feldwicklung (3) mit einer Erreger strom-Regelungsschaltung (4) verbunden ist, die in Ab hängigkeit von dem Ausgangssignal des Komparators (6) von einer Steuereinheit (8) zum Steuern der Erreger strom-Regelungsschaltung (4) ansteuerbar ist, wobei der synchrone Phasenschieber (2) derart mit dem permanent erregten Synchrongenerator (1) verbunden ist, daß der Ankerstrom (I_g) des permanenterregten Synchrongenera tors (1) gleich der Summe aus Laststrom (I_L) und Anker strom (I_c) des synchronen Phasenschiebers (2) ist, so daß
die Ausgangsspannung des permanenterregten Synchronge nerators (1) mittels des synchronen Phasenschiebers (2) über die reaktive Komponente des Ankerstroms (I_c) des synchronen Phasenschiebers (2) steuerbar ist, und
die Steuereinheit (8) die Erregerstrom-Regelungsschal tung (4) derart steuert, daß der Erregerstrom (I_f) für den synchronen Phasenschieber (2) verringert wird, wenn die mittels des Spannungsdetektors (5) erfaßte Spannung höher als die Referenzspannung ist, und daß der Erre gerstrom (I_f) für den synchronen Phasenschieber (2) er höht wird, wenn die mittels des Spannungsdetektors (5) erfaßte Spannung kleiner als die Referenzspannung ist.

2. Generatorsystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die mittels der Spannungs-Einstellein richtung (7) eingestellte Referenzspannung zwischen der Spannung im lastfreien Zustand und der Nenn-Spannung im belasteten Zustand des permanenterregten Synchrongene rators (1) liegt.

3. Generatorsystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß am Anker des synchronen Phasenschiebers (2) eine Drosselspule (16) angeordnet ist, die mit ei nem Gleichrichter (17) verbunden ist, wobei an einem weiteren Eingang des Gleichrichters (17) ein Stromwand ler (15) anliegt, welcher den Ankerstrom (I_c) des syn chronen Phasenschiebers (2) erfaßt, während der Ausgang des Gleichrichters (17) mit der Feldwicklung (3) des synchronen Phasenschiebers (2) verbunden ist.

4. Generatorsystem nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der synchrone Phasenschie ber (2) von einem statischen Erregersystem erregt wird.

5. Generatorssystem nach einem der Patentansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der synchrone Phasen schieber (2) von einem bürstenlosen Erregersystem er regt wird.

6. Generatorsystem nach Patentanspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Erregerstrom-Regelungsschaltung (4) den Erregerstrom steuert, der der auf dem Rotor des synchronen Phasenschiebers (2) befestigten Feldwicklung (3) des synchronen Phasenschiebers (2) zugeführt wird.