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Die
Erfindung betrifft ein elektrisches Generatorsystem, das als eine
Komponente des Systems im Hauptstromzweig einen Hochfrequenzgenerator aufweist,
und befasst sich insbesondere mit Verbesserungen der Ausgabe derartiger
Hochfrequenzgeneratoren. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Generator ein rotierender Permanentmagnetgenerator.
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Das
Prinzip der Erfindung ist auf jedwedes derartige System anwendbar,
in der Praxis ist die Erfindung aber am nützlichsten bei Systemen, in
denen der Generator entweder mit hoher Drehzahl rotiert oder viele
Pole aufweist oder eine Kombination aus beidem vorliegt, um so an
den Generatoranschlüssen
elektrischen Strom mit relativ hoher Frequenz zu erzeugen. Es wurde
festgestellt, dass die beste Frequenz eine Funktion der Nennleistung
des Generators ist. Mit vorliegender Technologie und als sehr grobe
Richtschnur kann man sagen, dass erheblicher praktischer und wirtschaftlicher
Nutzen für
die Erfindung gezeigt werden kann, wenn das Produkt aus Frequenz
in Kilohertz und Nennleistung in Kilowatt in der Größenordnung
weniger Hundert oder irgendwo in einem Band von 100 bis 1000 und
vielleicht darüber
liegt. Diese Richtschnur sollte jedoch nicht genommen werden, um
Grenzen zu definieren, außerhalb
derer die Erfindung nicht zum Vorteil anwendbar ist.
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Ein
besonders wichtiges Beispiel eines derartigen Generatorsystems ist
als „Mikroturbogenerator" oder MTG bekannt,
der konzipiert ist, um mittlere Leistungsbeträge von ungefähr wenigen
kW bis zu wenigen MW bereitzustellen. Beispiele für MTG-Anwendungen sind:
Bereitstellung von Leistung für
spezifische lokale Lasten oder für
eine Vielzahl von Punkten in einem Verteilernetz, das eine große Zahl lokaler
Lasten versorgt, die über
ein Gebiet verstreut sind, oder für eine parallele Kombination
lokaler Lasten und eines Verteilernetzes.
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Unter
Bezug auf 1 bis 3 der beiliegenden
Zeichnungen ist ein herkömmliches MTG-System
gezeigt und beschrieben, wobei
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1 ein
Schaltbild eines typischen MTG-Systems ist;
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2 eine
Querschnittansicht eines vierpoligen Permanentmagnetgenerators ist,
der im System nach 1 eingesetzt wird; und
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3 ein
Graph der Generatoranschlussspannung über der Ausgangsleistung für das System nach 1 ist.
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1 zeigt
ein Beispiel eines typischen MTG-Systems, das eine Kraftmaschine
in Form einer Gasturbine (T) aufweist, die mechanisch mit einem elektrischen
Permanentmagnet-Mehrphasengenerator
(G) gekoppelt ist. Mit dem Generator elektrisch verbunden ist eine
Aufbereitungseinheit (Power Conditioning Unit, PCU) zum Umwandeln
der Ausgangsspannungen an den Anschlüssen des Generators in die
Spannungswellenformen, die vom Verbraucher des generierten Stroms
am Ausgang des MTG benötigt
werden.
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Die
Aufbereitungseinheit (PCU) kann typischerweise eine Eingangsstufe
aufweisen, bei der es sich um einen ungeregelten Gleichrichter (R)
handeln kann, wie in 1 gezeigt, in dem die gleichrichtenden
Element einfache Dioden sind, gefolgt von einem Gleichstromumrichter
(C), der die Wechselstromgeneratorspannungen als Eingabe nimmt und als
Ausgabe eine stabile Zwischenkreis-Gleichspannung erzeugt. Alternativ
kann die Eingangsstufe anstelle der Dioden mit steuerbaren Schaltgeräten wie z.
B. IGBTs ausgeführt
sein, und die vollständige Funktion
wird in einem Schritt durch Steuerung der Schaltzeitpunkte der Geräte erreicht.
Mit dieser Eingangsstufe verbunden ist die Ausgangsstufe der Aufbereitungseinheit,
bei der es sich typischerweise um einen Pulsbreiten-modulierten
(Pulse Width Modu lated, PWM) Inverter (I) plus Ausgangsfilter (F)
handeln kann; die Ausgangsstufe nimmt die Zwischenkreis-Gleichspannung
als Eingabe und erzeugt als Ausgabe sinusförmige dreiphasige Spannungen üblicherweise
von 50 oder 60 Hz. 1 zeigt eine typische Konfiguration,
die auf der erstgenannten Option für die erste Stufe basiert;
die Erfindung ist gleicherweise auf jede der beiden Optionen anwendbar.
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Im
Konstruktionsprozess für
jedweden Permanentmagnetgenerator stellt man fest, dass die Maschine
erhebliche innere induktive Reaktanz besitzt, die mit Xint bezeichnet
wird, welche die Leistungseigenschaften an den Anschlüssen in
bedeutender Weise beeinträchtigt.
(Abhängig
von der Geometrie der Magnete und der darunter liegenden Stahl-Rotornabe
kann auch, wie wohlbekannt ist, einige Differenz in den Werten der
Pro-Phasen-Zwei-Achsen-Reaktanzen
der Maschine vorhanden sein, üblicherweise
bezeichnet durch die d-Achsen- und q-Achsen-Werte Xd bzw. Xq, wobei
dieser Effekt als Salienz bekannt ist. Da die Salienz bei dem Maschinentyp,
der den Hauptgegenstand der Diskussion bildet, typischerweise geringfügig ist,
und da Xd den größeren Einfluss
auf die relevanten Betriebsumstände
aufweist, ist jenes dementsprechend der hierin implizierte Wert,
wenn von „der
Reaktanz" der Maschine
die Rede ist.)
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Eine
rotierende trommelartige Maschine, die einen radialen Magnetfluss über einen
ringförmigen Luftspalt
mit einem heteropolaren Permanentmagnetrotor aufweist, kann zur
Veranschaulichung genommen werden, wie in 2 gezeigt
und später ausführlicher
beschrieben. Dies ist wegen verschiedener Vorteile eine verbreitet
angewendete Konfiguration: Einfachheit und Robustheit des Aufbaus;
hoher elektrischer Wirkungsgrad; gute Leistung im Hinblick auf die
Fähigkeit
zu hohen Drehzahlen bei Konstruktion mit einer vorgespannten Haltehülse um den äußeren Durchmesser
des Rotors und wettbewerbsfähige
Herstellungskosten. Wenn die Konstruktion im Hinblick auf die Maße der Hülse für die Drehzahlanforderung
zusammen mit den Proportionen des Magnetkreises optimiert worden
ist, um die höchstmögliche Flussdichte
am Luftspalt der Maschine und damit die größtmögliche Spannung und Leistungsabgabe an
den Anschlüssen
zu ergeben, wird man üblicherweise
feststellen, dass die resultierende stationäre innere induktive Reaktanz,
wenn sie im wohlbekannten relativen (Per-Unit-)System ausgedrückt wird
(in dem Volllast-Nennspannung und -strom die zwei Basen oder Einheiten
für jene
Variablen bilden, ihr Quotient die Basis der Impedanz bildet und
ihr mit der Anzahl der Phasen multipliziertes Produkt die Basis
der Leistung bildet), grob in der Größenordnung von 0,4 pu liegt.
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Ein
Generator, der näherungsweise
ein solches Reaktanzniveau besitzt, weist ein Maß an Verringerung der Klemmenspannung
von Leerlauf zu Volllast auf, die als Spannungsänderung bezeichnet wird, das
akzeptiert werden kann, obgleich dies ein Nachteil für die Leistungseigenschaften
der Maschine ist. 3 zeigt die Charakteristik der
Klemmenspannung V über
der Ausgangsleistung Po in relativer Form für eine Maschine mit innerer
relativer Reaktanz von 0,39 pu. Die Änderung bei Nennleistung kann
leicht aus dem üblichen
Zeigerdiagramm (wie später
erläutert)
für stationären Betrieb
ermittelt werden und wird, wie gezeigt, mit etwas unterhalb von 12%
festgestellt. (Wie in 3 gezeigt, beinhaltet dieses
Ergebnis aufgrund harmonischer Spannungen, die durch eine Gleichrichterbrücke verursacht werden,
die als mit den Anschlüssen
verbunden angenommen wird, einen kleinen prozentualen Effekt auf
die Ausgangs-Effektivspannung). Es ist anzumerken, dass, wie wohlbekannt
ist, die Nennleistung im relativen System einen Zahlenwert gleich
dem Leistungsfaktor aufweist, der in diesem Beispiel gleich 0,933
ist. Jedoch nimmt, wie aus der Figur zu ersehen, wenn die Leistungsabgabe
um 15% auf 1,07 pu erhöht
wird, die Spannungsänderung
recht zügig
von etwas unterhalb von 12% auf etwa 16% zu. Noch schlechter ist,
dass bei etwa 43% Erhöhung
der Leistungsabgabe über
dem Nennwert (1,34 pu) die Änderung
mit etwa 35% sehr hoch ist, und dieser Zustand stellt in der Tat
die Betriebsgrenze der Maschine dar; an diesem Punkt ist die Spannung
im Begriff, auf null abzufallen, und ein höheres Leistungsniveau kann nicht
erlangt werden. Jedweder Betriebszustand, der sich dicht an diese
Grenze annähert,
ist nur marginal stabil und in hohem Maße unerwünscht.
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Im
Hinblick auf die Praxis darf man wohl sagen, dass, will man Schwankungen
in den Werkstoffeigenschaften der Permanentmagnete, Bearbeitungstoleranzen
bei kritischen Maßen
des Magnetkreises und die allgemeine Erwünschtheit berücksichtigen,
nicht zu viel Spannungsänderung
von Leerlauf zu Volllast zusammen mit angemessener Stabilität des Spannungs-Leistungs-Arbeitspunktes zu
haben, es wünschenswert
ist, die innere induktive Reaktanz auf etwas kleiner als 0,4 pu
und höchstens etwa
0,45 pu zu begrenzen, wobei entsprechend die Volllaständerung
vorzugsweise 12% und höchstens 14%
nicht überschreitet.
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Das
Problem innerer Reaktanz kann, und tut dies auch im Allgemeinen,
der verfügbaren
Leistung aus einem Permanentmagnetgenerator eine Beschränkung auferlegen,
und dies aus zwei verschiedenen Gründen. Zur Veranschaulichung
der ersten Beschränkung
sei angenommen, das ein Generator ausgelegt ist, mit einer festgelegten
Ausgangsleistung betrieben zu werden, und es festgestellt wird, dass
er eine innere Reaktanz von 0,45 pu aufweist. Bei diesem Reaktanzniveau
ist die Spannungsänderung
etwa gleich 14%, was bedeutet, dass die Volllast-Ausgangsspannung nur 86% derjenigen
bei Leerlauf ist. Wenn dieser Spannungsabfall vermieden werden könnte, sodass
die Spannung von Leerlauf zu Volllast näherungsweise konstant bliebe, dann
würde sich
bei demselben Strom in den Wicklungen das Spannungs-Strom-Produkt
(dass die Haupt-Bestimmungsgröße der Leistungsabgabe
ist, wenn, wie es typischerweise der Fall ist, der Leistungsfaktor
als nahe bei eins bleibend angenommen wird) um ×1/0,86 oder etwa 16% erhöhen. Die
ohmschen Verluste innerhalb der Maschine bleiben dieselben (weil
der Strombetrag unverändert
bleibt), ebenso andere Haupt-Verlustkomponenten, und so bleiben
die inneren Temperaturen dieselben. Außerdem stellen diese Verluste
einen kleineren Bruchteil der erhöhten Ausgangsleistung dar,
und so hat sich der Maschinenwirkungsgrad erhöht. Somit ist zu sehen, dass
die innere Reaktanz und folgerichtig die Spannungsänderung
den Effekt aufweisen, sowohl die verfügbare Ausgangsleistung als
auch den Betriebswirkungsgrad zu verringern.
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Zur
Veranschaulichung der zweiten Beschränkung muss man zuerst anerkennen,
dass, sowie der Wert des Nennstroms erhöht wird, der Effekt eintritt,
dass der relative Wert der inneren Reaktanz Xint erhöht wird,
weil aufgrund des Erhöhens
der Basis des Stroms die Basis der Impedanz abgenommen hat und es
daher eine entsprechende Erhöhung
in der prozentualen Spannungsänderung
gibt. Bei der Konstruktion eines Permanentmagnetgenerators kann
es sich infolgedessen herausstellen, dass der Nennstrom so gewählt werden
muss, das er nicht dem höchstzulässigen Wert
entspricht, der innere Temperaturen auf das höchste sichere Niveau anheben
würde,
sondern vielmehr einem niedrigeren Stromwert, der den relativen
Wert von Xint auf ein akzeptables Niveau begrenzt, wie vorher in
Bezug auf 3 diskutiert. Es wird recht
häufig
festgestellt, dass diese Situation bei der Konstruktion von elektrischen
Hochgeschwindigeits-Generatoren auftritt, besonders bei solchen
höherer
Leistung (wie 100 kW und darüber),
wobei aufgrund dimensioneller Skalierungseffekte der proportionale
Erwärmungseffekt
des Statorstroms in den Wicklungen dazu neigt, kleiner zu sein,
und daher die Wicklung dazu neigt, relativ zu den Temperaturgrenzen,
die durch die Isolierungseigenschaften gesetzt sind, kühler zu
laufen. Alternativ kann es der Fall sein, dass das Maß der inneren
Kühlung
in der Konstruktion angepasst worden ist, um so zu erlauben, dass
die Temperaturen auf das höchste sichere
Niveau ansteigen, indem in gewissem Umfang Kühlaufwand eingespart wird,
die Kühlung
aber verstärkt
werden könnte,
wenn die Möglichkeit
des Erhöhens
der Leistungsabgabe dadurch bestünde.
In jedem Fall ist es die Notwendigkeit, die Effekte der induktiven
Reaktanz zu begrenzen, die tatsächlich dem
Nennstrom der Maschine und damit der Nennleistung Grenzen auferlegt,
statt der Notwendigkeit, die innere Erwärmung zu begrenzen.
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Somit
kann im Allgemeinen induktive Reaktanz die aus einem Permanentmagnetgenerator
verfügbare
Ausgangsleistung durch zwei Effekte beschränken: als Erstes durch Verringern
der Nenn-Klemmenspannung bei Nennstrom, was sowohl Leistungsabgabe
als auch Wirkungsgrad verringert; und als Zweites durch Auferlegen
eines Grenzwerts für
den zulässigen
Strom, wobei dieser Grenzwert zu akzeptieren ist, um den relativen
Wert der Reaktanz auf ein geeignetes Niveau zu beschränken. Der
erste Effekt ist in jedweder Maschine stets vorhanden, die erhebliche
innere induktive Reaktanz verkörpert.
Der zweite Effekt kommt bei jedweder Konstruktion ins Spiel, bei
der der Nennstrom nicht primär
durch die Notwendigkeit zur Begrenzung innerer Erwärmung, sondern
vielmehr durch die Notwendigkeit bestimmt ist, die Effekte des reaktiven
Spannungsabfalls auf einem akzeptablen Niveau niedrig zu halten.
Beide Effekte werden allerdings dadurch verursacht, dass die induktive
Reaktanz unerwünscht
hoch ist.
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WO94/24622 schlägt ein Reihenkompensationssystem
vor, wobei ein Halbleiterschalter gesteuert wird, um den Leitungsstrom
in Zeiträumen
mit hoher Last um die Kompensationskondensatoren herum zu überbrücken.
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Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit Mitteln zur Verringerung
oder Beseitigung der Effekte innerer induktive Reaktanz, wodurch
die zulässige Ausgangsleistung
der Maschine und ihr Betriebswirkungsgrad erheblich erhöht werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung, die in Anspruch 1 genau beschrieben ist, wird ein elektrisches
Generatorsystem mit einem einen Ausgang aufweisenden elektrischen
Wechselstromgenerator bereitgestellt, wobei das System durch eine
Kondensatoranordnung gekennzeichnet ist, die am Ausgang des Generators
vorgesehen ist und welche so eingerichtet ist, dass sie einen am
Ausgang des Generators auftretenden Spannungsabfall von Leerlauf
zu Volllast ausgleichen kann, wodurch es ermöglicht wird, dass ohne einen
inakzeptablen Abfall der Ausgangsspannung und ohne Überschreiten
zulässiger Temperaturgrenzen
für die
Generatorwicklung eine erhöhte
Leistung aus dem Generator aufgenommen werden kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist der Generator ein Mehrphasengenerator,
und in jeder Ausgangsleitung des Generators ist ein Reihenkondensator
vorgesehen, dessen Betrag der kapazitiven Reaktanz so gewählt ist,
dass er einen erheblichen Ausgleichseffekt gegen die innere induktive
Reaktanz der Maschine aufweist. Angenommen, dass die Maschine eine
innere effektive induktive Gesamtreaktanz pro Leitung gleich Xint
aufweist. (Wenn die Maschine in Sternschaltung angeschlossen ist,
dann ist Xint gleich dem Pro-Phasen-Wert der inneren Reaktanz, Xphase; wenn
in Dreieckschaltung angeschlossen, sieht man anhand der wohlbekannten Äquivalenz
von in Dreiecks- und in Sternschaltung angeschlossenen Systemen
leicht, dass Xint = Xphase/3 ist.) Der Kapazitätswert pro Leitung kann so
gewählt
sein, das er eine Reaktanz Xcap aufweist, die dem Betrag nach näherungsweise
gleich Xint bei Nenndrehzahl ist. Alternativ kann Xcap so gewählt sein,
dass er kleiner als, aber ein erheblicher Bruchteil von Xint bei
Nenndrehzahl ist, oder er kann (mit nötiger Vorsicht, um das Generieren
zu hoher Spannungen zu vermeiden) so gewählt sein, dass er etwas größer als
Xint ist. Betrachtungen, welche diese Wahl beeinflussen, werden
später
diskutiert.
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Angenommen,
dass der Kapazitätswert
derart dimensioniert worden ist, dass er bei Nenndrehzahl im Wesentlichen
ein Gegengewicht zur inneren induktiven Reaktanz bildet, dann ist
die Netto-Reihenreaktanz in der Leitung, die jetzt gleich (Xint – Xcap)
ist, viel kleiner als der vorherige Wert Xint. Die Maschinen-Kondensator-Kombination
verhält
sich, als sei sie ein einfacher Generator mit kleiner innerer Reaktanz.
Somit bleibt die Spannung an den Anschlüssen der Kombination von Leerlauf
zu Volllast im Wesentlichen konstant. Außerdem bleibt, wenn die Leistungsabgabe
der Maschine auf mehr als ihren vorherigen Nennwert erhöht wird,
die Spannung näherungsweise
konstant. Es wird deutlich, dass beide vorher diskutierten Beschränkungen
der Leistung aufgehoben worden sind. Es gibt einen vernachlässigbaren
Verlust in der Leistungsabgabefähigkeit
aufgrund dessen, dass die Klemmenspannung mit der Last abfällt, und
der Strom ist nicht durch die Notwendigkeit beschränkt, den
induktiven reaktiven Spannungsabfall innerhalb der Maschine auf
ein akzeptables Niveau zu begrenzen. Die Verlustleistungen in den
externen Kondensatoren sind sehr klein, und dementsprechend verbessert
sich der Wirkungsgrad, wenn die Leistungsabgabe erhöht wird.
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Die
Attraktivität
dieser Technik ist in hohem Maße
den überlegenen
Leistungseigenschaften moderner metallisierter Folienkondensatoren
geschuldet. Diese können
recht preiswert hergestellt werden und können eine einzigartig gute
Kombination der folgenden Eigenschaften bieten: Kapazität pro Volumeneinheit;
Rippelstromtoleranz; Spannungsfestigkeit; lange Lebensdauer; Eignung
für Gehäusetemperaturen
in der Größenordnung
von 70°C.
Die Verwendung der Kondensatoren beeinträch tigt die Lebensdauer der
Anlage typischerweise nicht, und ihre Kosten können beträchtlich geringer als die zusätzlichen
Kosten des alternativen Baus eines größeren Wechselstromgenerators
sein, der denselben Leistungszuwachs ohne Kondensatoren bietet – womit die
Kosten pro Kilowatt generierter Leistung verringert werden. Außerdem ist
es einfach möglich,
dass Kondensatoren konstruiert und in angemessener Zahl hergestellt
werden, die innerhalb der Beschränkungen
vorliegender Technologie zu jedweder spezifischen Anwendung im Hinblick
auf Kapazitätswert und
Strom- und Spannungs-Nennwerten passen, ohne dass man durch hohe
Kosten bestraft wird.
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Diesbezüglich ist
anzumerken, dass der Spannungs-Nennwert des Kondensators durch den Strom
I durch denselben und den höchsten
Wert des IXint-Spannungsabfalls bestimmt ist, der infolgedessen
darüber
im Betrieb auftreten kann; er braucht typischerweise nur ein Bruchteil
der Nenn-Phasenspannung der Maschine sein. Es sind die Grenzen der
physikalischen Eigenschaften der Kondensatoren, die in der Technologie
metallisierter Folien hergestellt werden können, die zu der bevorzugten
Beziehung zwischen elektrischer Frequenz und Maschinenleistungs-Nennwert
führen,
wie weiter vorn angegeben. Besonders signifikant ist hier die Weise,
in der diese Grenzen der Fertigungstechnologie bewirken, dass der
Kondensatorstrom-Nennwert
effektiv mit dem Kapazitätswert
verknüpft
wird und somit die Weise beschränken,
auf die der ohmsche (nicht relative) Wert von Xint in Beziehung
zum Strom bei einer bestimmten Frequenz steht.
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Als
nützliche
Richtschnur stellt sich typischerweise in vielen Fällen heraus,
dass der Scheinleistungs-Nennwert der gesamten, mit der Maschine verwendeten
Kondensatorbank bis zu etwa dem halben Wirkleistungs-Nennwert betragen
kann.
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Durch
näherungsweises
Gleichsetzen der induktiven und kapazitiven Reaktanzen bei Nenndrehzahl
wird offenkundig nahe der Nenndrehzahl eine Resonanzbedingung geschaffen
(wobei die zwei Reaktanzwerte genau gleich sind, allerdings natürlich entgegengesetzte
Vorzeichen aufweisen), und es ist natürlich zu untersuchen, ob dies
irgendwelche Überspannungs-
oder Überstromeffekte
erzeugt, wie man sie üblicherweise
bei Resonanzerscheinungen in anderen Anwendungen antrifft, die störend sein
könnten.
Jedoch ist dies im Gegensatz zu einer Parallelresonanz eine Reihenresonanz
(weil in der bevorzugten Ausführungsform
die induktiven und kapazitiven Reaktanzen in Reihe geschaltet sind),
und die Betrachtung zeigt, dass in diesem Fall keine Überspannungseffekte
bei Resonanzfrequenz auftreten, noch gibt es irgendeinen Überstrom,
da der Strom durch die Abnahmelast kontrolliert ist, die an das
komplette Generatorsystem angeschlossen ist. Außerdem werden höhere harmonische
Ströme,
die aus dem Generator durch nicht lineare Lasten, wie z. B. eine
Gleichrichterbrücke,
aufgenommen werden, unwesentlich beeinflusst, da die Impedanz auf
diese Ströme
durch die innere induktive Reaktanz der Maschine dominiert ist,
während
die kapazitive Reaktanz bei der höheren Frequenz klein ist.
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Ein
Merkmal, das in der Konstruktionsphase der Betrachtung bedarf, ist
der Betrieb bei verminderter Drehzahl. Ein mäßiger Grad an Drehzahlminderung
bei Nennleistung wirft im Allgemeinen kein Problem auf. Jedoch nimmt,
wenn Drehzahl und Frequenz abnehmen, die kapazitive Reaktanz zu,
und es ist notwendig, zu prüfen,
ob der Spannungsabfall über
dem Kondensator den zulässigen
Wert aufgrund des ihn durchfließenden
Stroms nicht überschreitet.
Diesbezüglich
ist die MTG-Anwendung besonders gut geeignet. Es ist gängige Praxis,
den MTG-Satz mithilfe des Generators in Motor-Betriebsart zu starten,
um die Welle auf eine Drehzahl zu beschleunigen, bei der die Turbine
selbstunterhaltend werden kann, was typischerweise bei rund 40%
der Nenndrehzahl eintritt. Als Teil der Schaltvorgänge zur Ein richtung
der motorischen Betriebsart ist es zweckmäßig, die Kondensatoren aus
dem Kreis herauszuschalten, wobei sie wieder hereingeschaltet werden, wenn
die Betriebsart auf Generieren übergeht.
Am unteren Ende des Drehzahlbereiches oberhalb dieses Übergangspunktes
weist die Turbine sehr beschränkte
Fähigkeit
zur Stromerzeugung auf. Infolgedessen treten hohe Leitungsströme bei niedriger Drehzahl
nicht auf. Typischerweise stellt man bei einem MTG-System fest,
dass, wenn der Kondensator für
eine Spannung gemäß dem höchsten IXcap-Spannungsabfall
ausgelegt ist, der in einer definierten Betriebsbedingung oder nahe
der Nenndrehzahl auftritt, dann keine andere Bedingung beim Starten
oder bei sonstigen Übergangszuständen auftritt, die
nach einer höheren
Auslegung verlangt.
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Der
Betriebs-Leistungsfaktor der Maschinen-Kondensator-Kombination ist derselbe
wie für die
Maschine allein, wobei er durch die Charakteristika der angeschlossenen
Last bestimmt ist. Die Phasenbeziehung zwischen Spannung und Strom
an den Maschinenanschlüssen
wird jedoch durch das Hinzufügen
von Kondensatoren geändert,
und als Resultat wird der Betrag der Maschinenspannung unter Last
im Allgemeinen erhöht.
Ohne Kondensatoren ergibt diese Phasenbeziehung im Allgemeinen einen
Leistungsfaktor von rund 0,93 oder besser; mit den hinzugefügten Kondensatoren
verbessert sich der Leistungsfaktor typischerweise. Eine detaillierte Untersuchung
zeigt, dass die Spannung an den Maschinenanschlüssen bei jedweder wahrscheinlichen Betriebsbedingung
typischerweise kleiner als die Nenn-Leerlaufspannung der Maschine ist.
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Die
Einbeziehung der Kondensatoren verringert die Gesamt-Reihenimpedanz in
den Ausgangsleitungen des Generators auf ein sehr niedriges Niveau.
Infolgedessen wird jedweder Kurzschluss an oder nahe den Anschlüssen der
Maschinen-Kondensator-Kombination
einen äußerst hohen
Strom verursachen, der die Wicklungen sehr schnell durchbrennen
lässt.
Um die Maschine gegen einen derartigen äußeren Kurzschluss zu schützen, kann
es zu bevorzugen sein, Sicherungen oder Schalter in ihren Ausgangsleitungen
mit zweckentsprechender I2-t-Charakteristik
bereitzustellen, sodass die Wärmekapazität den inneren
Temperaturanstieg auf ein sicheres Niveau begrenzen kann.
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Oft
ist es ausreichend, den Kapazitätswert
so zu dimensionieren, dass die kapazitive Reaktanz die meiste, aber
nicht sämtliche
induktive Reaktanz kompensiert, und die Spannungsänderung
an den Ausgangsanschlüssen
wird auf wenige Prozent verringert. Durch Verringern der Kapazität und somit
Erhöhen
der Reaktanz kann natürlich
eine näherungsweise
ebene Spannungscharakteristik erlangt werden. Im Allgemeinen hat
es sich als perfekt zulässig
herausgestellt, die Kapazität
noch weiter zu verringern, sodass es einen mäßigen Grad des Anstiegs der Spannung
an den Generator/Kondensator-Ausgangsanschlüssen gibt. Dieser kann benutzt
werden, um den Abfall der Spannung bei Last auszugleichen, der typischerweise über einer
nachfolgenden Gleichrichterstufe auftritt, sodass die endgültige Ausgangsgleichspannung
unabhängig
von der Last im Wesentlichen konstant ist. Somit kann es möglich sein,
die Kosten und zusätzlichen
Verluste zu vermeiden, die mit einem weiteren Gleichstromumrichter
einhergehen, der anderenfalls typischerweise benötigt werden würde, um
eine geregelte, konstante Gleichspannung aufrechtzuerhalten. Jedoch
ist es beispielsweise im MTG-Fall üblich, auf etwas Drehzahländerung
bei Last auszulegen, um so den Wirkungsgrad der Turbine unter Teillast
zu optimieren. In jenem Fall ist die Bereitstellung eines konstanten Gleichspannungspegels
für alle
Betriebsbedingungen einfach durch geeignetes Dimensionieren der Kapazität natürlich nicht
möglich.
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Bevorzugte
Merkmale des Generatorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung
sind in den folgenden Absätzen
dargelegt.
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Gemäß diesen
bevorzugten Merkmalen weist ein elektrischer Permanentmagnet-Wechselstromgenerator
Kondensatoren auf, die in einer oder mehreren der Ausgangsleitungen
des Generators in Reihe geschaltet sind, wobei der Wert der Kapazität so gewählt ist,
dass der Spannungsabfall von Leerlauf zu Volllast, der an den Anschlüssen der
Maschine ohne die Wirkung der Kondensatoren auftreten würde, in
Bezug auf die Spannung, die an den Ausgangsanschlüssen der
Kondensatoren auftritt, im Wesentlichen ausgeglichen wird, womit
es ermöglicht
wird, dass ohne einen inakzeptablen Abfall der Ausgangsspannung
und ohne Überschreiten
zulässiger
Temperaturgrenzen für
die Maschinenwicklung eine erhöhte
Leistung aus der Maschinen-Kondensator-Kombination aufgenommen werden kann.
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Der
elektrische Permanentmagnet-Wechselstromgenerator kann ein Mehrphasenwechselstromgenerator
sein, wobei die Kondensatoren in jeder der Mehrphasenausgangsleitungen
in Reihe geschaltet sind.
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Vorteilhafterweise
arbeitet der elektrische Generator bei einer ziemlich hohen Frequenz,
sodass die Kombination aus erforderlichem Kapazitätswert und
erforderlichem Spannungs-Nennwert
und Strom-Nennwert des Kondensators eine gute Übereinstimmung mit dem bilden,
was naturgemäß bei metallisierten
Folien- oder anderen Kondensatortechnologien für hohe Ausgangsleitung verfügbar ist, womit
ermöglicht
wird, dass die Kosten der Kondensatoren pro kW erhöhter Leistungsabgabe
vorteilhafterweise geringer als die beim Generator aufgrund der
bei gegebenem Leistungs-Nennwert geringeren Größe eingesparten Kosten pro
kW sind.
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Beispielsweise
kann der Generator in einem Mikroturbogeneratorsystem entweder direkt
oder über
ein Getriebe durch die Turbine angetrieben werden.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
ist die Maschinen-Kondensator-Kombination
mit einer Gleichrichterbrücke
verbun den, und der Kapazitätswert
ist so gewählt,
dass sich die Ausgangsgleichspannung von der Gleichrichterbrücke näherungsweise
in einer gewünschten
Art und Weise bei Änderung
der Last ändert.
Beispielsweise kann der Kapazitätswert
so gewählt
sein, dass die Ausgangsgleichspannung von der Gleichrichterbrücke unabhängig von
der Last im Wesentlichen konstant ist.
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Ein
möglicher
Vorteil der Verwendung eines derartigen Kondensators ist, dass es
ermöglicht
wird, dass für
den gegebenen Leistungs-Nennwert eine kleinere elektrische Maschine
in einen kleineren leeren Raum eingebaut wird, als es ohne die Verwendung
der Kondensatoren möglich
oder zweckmäßig wäre.
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Somit
stellt die Erfindung mindestens in ihrer unten beschriebenen bevorzugten
Form eine Anordnung zur Erlangung größerer Leistung aus einem Permanentmagnetgenerator
bei verbessertem Wirkungsgrad und in vielen Fällen niedrigeren Kosten pro
generiertem Kilowatt durch Schalten von Kondensatoren in Reihe mit
den Mehrphasenausgangsleitungen des Generators bereit. Den größten Vorteil zeigt
die Anordnung, aber ohne im Prinzip darauf beschränkt zu sein,
bei Generatoren, die ihre Ausgangsleistung bei recht hoher Frequenz
erzeugen, dadurch definiert, dass die Beziehung f (in Kilohertz) multipliziert
mit der Nennleistung (in Kilowatt) nahezu gleich oder größer als
100 ist.
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Infolgedessen
ist eine besonders wichtige Anwendung der Erfindung die bei Mikroturbogeneratoren,
bei denen die Leistungsabgabe üblicherweise um
mindestens 15% und recht oft um bis zu 35% oder sogar mehr erhöht werden
kann. Der Wert der Kapazität
muss zweckentsprechend gewählt
werden, um so die nachteiligen Effekte innerer induktiver Reaktanz
im Wesentlichen auszugleichen, und die Leistungsabgabe wird infolgedessen
aufgrund zweier verschiedener Effekte erhöht. Erstens zeigt die Spannung
an den Anschlüssen
der Maschinen-Kondensator-Kombination
wenig oder keinen Spannungsabfall von Leerlauf zu Volllast, was
von der Aktivität
der Maschine allein abweicht, bei der erheblicher Spannungsabfall
auftritt. Die Leistungsabgabe der Kombination ist bei demselben
Generatorstrom-Betrag entsprechend größer. Zweitens ist es nicht
mehr erforderlich, den Wert des Nennstroms zu beschränken, um
den oben erwähnten
Spannungsabfall auf einem akzeptablen Niveau zu halten. Wenn daher
früher diese
Beschränkung
verursachte, dass die Maschine mit einem Strombetrag als Nennwert
versehen wurde, der kleiner als jener war, der aus Gründen des
inneren Temperaturanstiegs allein toleriert werden könnte, wird
es nunmehr möglich,
den Nennwert des Stroms heraufzusetzen und so die Leistungsabgabe weiter
zu erhöhen.
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Die
Erfindung wird jetzt nur anhand eines Beispiels und unter Bezug
auf die zugehörigen
Zeichnungen beschrieben, wobei
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1 bis 3 ein
herkömmliches MTG-System
zeigen, wie oben diskutiert;
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4 ein
Schaltbild ist, das eine Modifikation des Systems nach 1 zeigt,
wobei der Generator als in Sternschaltung angeschlossener Generator
mit in Reihe geschalteten Kondensatoren gebildet ist;
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5 ein
Zeigerdiagramm für
den Generator nach 4 einschließlich der in Reihe angeschlossenen
Kondensatoren ist und
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6 ein
Zeigerdiagramm für
den Generator nach 1 ohne die in Reihe angeschlossenen
Kondensatoren ist.
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Zuerst
Bezug nehmend auf 2 zeigt diese einen Querschnitt
eines elektrischen Generators mit 84 kW Nenn-Ausgangsleistung bei 80.000/min zur Verwendung
in einem MTG-System,
wie in 1 gezeigt. Die Proportionen und Spezifikationen
der verschiedenen Teile sind für
den vorliegenden Zweck des Demonstrierens der Wirkung der Erfindung
ausreichend, obgleich sie nicht optimiert sind und die beschriebenen
Leistungseigenschaften nicht die beste Umsetzung für die spe zifische
Anwendung repräsentieren.
Eine Statorblechung (1) ist mit 24 Schlitzen (2) versehen,
in die eine 3-phasige, 4-polige Wicklung (nicht gezeigt) eingesetzt
ist. Eine vorgespannte zylindrische Hülse (3), die aus Inconel
oder Kohlefaser hergestellt sein kann, hält vier Seltenerd-Permanentmagnetrotor-Pole (5),
die mit einer inneren Stahlnabe (6) verklebt sind. Lücken zwischen
den Magneten unter der Hülse
enthalten Epoxidfüllstoff
(7). Zwischen dem stationären Stator und der rotierenden
Hülse gibt
es einen radialen Luftspalt (4). Der Stator wird durch
einen dicht sitzenden Wassermantel (nicht gezeigt) gekühlt, der
den Außendurchmesser
der Blechung umgibt. Luftkühlung
kann erforderlichenfalls axial entlang des Luftspalts erfolgen,
um vornehmlich die Betriebstemperatur des Rotors zu steuern.
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Die
Haupt-Konstruktionsdetails (alle Maße in mm) sind wie folgt: Außendurchmesser
der Statorblechung = 105,0; Durchmesser über Schlitzböden = 80,0;
Durchmesser der Statorbohrung = 60,6; Durchmesser über Hülse = 59,6;
Durchmesser über
Magnete = 51,3; Breite der quadratischen Nabe = 34,5; Breite des
Zahn-Hauptteils
= 4,2; Schlitzöffnung
= 2,2; axiale Länge
(nicht gezeigt) von Blechpaket und Magneten = 125,0.
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Die
Statorwicklung weist Folgendes auf: 24 Spulen in 2-schichtiger Form;
wobei die Spulen einer Phase verbunden sind, um zwei parallele Bahnen
zu bilden; jede Spule mit 3 Reihenschlusswindungen gewickelt ist;
der Statorleiter = 19 Adern Lackdraht nach 25 AWG (American Wire
Gauge) ist. Die Isolierungs-Spezifikation gestattet eine maximale
Wicklungstemperatur von 180°C.
Kühlmittel-Einlasstemperatur
= 50°C.
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Ein
Fachmann in der Konstruktion elektrischer Maschinen kann Folgendes
verifizieren: Die Maschine generiert 298 V effektiv/Phase im Leerlauf; Gesamtinduktivität in der
d-Achse = 57,8 μH/Phase, was
eine Reaktanz = 0,968 Ω/Phase
bei einer elektrischen Frequenz = 2,67 kHz ergibt; bei Abgabe von 84
kW Ausgangsleistung an eine ungeregelte 3-Phasen-Gleichrichterbrücke fällt die Klemmenspannung auf
260 V effektiv/Phase, Strom = 117 A/Leitung effektiv; Basis der
relativen Impedanz = 2,23 Ω;
relative d-Achsen-Reaktanz = 0,434 pu; Spannungsänderung = 13,5%; Wirkungsgrad
= 97,8%; bei 0,1 l/s Wasserstrom und angemessener Luftzufuhr zum Luftspalt
ist die Maximaltemperatur in der Wicklung = 155°C.
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Diese
Maschine repräsentiert
daher ein Beispiel in Richtung der Seite hoher Änderung des weiter oben vorgeschlagenen
empfohlenen Bereichs, wobei sie eine Reaktanz von 0,434 pu (nahe
dem empfohlenen Grenzwert von 0,45 pu) und entsprechend eine Änderung
von 13,5% (nahe dem empfohlenen Grenzwert von 14%) aufweist. Offenkundig wäre es bei
dieser Maschine nicht empfohlen (oder in der Tat möglich),
den Leistungs-Nennwert wesentlich zu erhöhen. Jedoch ist zu beachten,
dass die Wicklungstemperatur erheblich niedriger als das Maximum
von 180°C
ist, das laut Isolierungs-Spezifikation tatsächlich zulässig ist. Dies ist daher eine
Maschine, die unter beiden weiter oben beschriebenen Effekten leidet:
Der Spannungsabfall bei Volllast verringert die verfügbare Leistung
wesentlich, und der Strom kann nicht weiter erhöht werden, um Vorteil aus der
zulässigen
Maximaltemperatur zu ziehen, weil er den Betriebspunkt zu nahe an
die absolute Leistungsgrenze bringt, die (für einen geringfügig niedrigeren
Wert der relativen Reaktanz) durch die Kurve nach 3 abgebildet
ist.
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Gemäß der Erfindung
können
nun Kondensatoren eingeführt
werden, wie in 4 gezeigt. Die allgemeine, in 4 gezeigte
Anordnung stellt den Generator (G) und die Gleichrichterstufe (R)
nach 1 dar, wobei beispielsweise ein in Sternschaltung
angeschlossener Generator angenommen wird, und zeigt hinzugefügte Reihenkondensatoren
(Ca).
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Im
Beispiel nach 4 ist der Kapazitätswert gleich
80 μF/Leitung,
die Nennspannung max. 150 V effektiv, der Rip pelstrom = 150 A effektiv
max., die zulässige
Gehäusetemperatur
= 70°C,
die Lebensdauer mindestens gleich 100.000 Stunden bei Voll-Nennbedingungen
und beträchtlich
mehr bei kühlerem Lauf.
Es wird nun die Wahl getroffen, die Leistungsabgabe der Maschine
um 25% auf 105 kW zu erhöhen.
Wiederum kann ein Fachmann in der Konstruktion elektrischer Maschinen
Folgendes verifizieren: Leerlaufspannung und Induktivität in μH/Phase unverändert; bei
Abgabe von 105 kW Ausgangsleistung an eine ungeregelte 3-Phasen-Gleichrichterbrücke fällt die
Klemmenspannung der Maschinen-Kondensator-Kombination auf 294 V/Phase;
Strom = 129 A/Leitung; Spannungsänderung
= 1,4%; Wirkungsgrad = 97,9%; Maximaltemperatur in der Wicklung
= 173°C.
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Diese
Anordnung erzeugt aus derselben Maschine jetzt 25% mehr Leistung.
Die Spannungsänderung
ist nahezu vernachlässigbar,
der Wirkungsgrad hat sich leicht verbessert, und die Wicklungstemperatur
liegt noch bequem innerhalb der Spezifikation. Bei anderen Beispielen
ist es möglich,
eine sogar noch größere prozentuale
Erhöhung
der Ausgangsleistung, eine merklichere Verbesserung des Wirkungsgrades
und allgemein geringere Temperaturanstiege zu demonstrieren, als
für diesen
Fall kennzeichnend sind.
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Das
Zeigerdiagramm in 5 bildet diese Betriebsbedingung
für die
grundlegenden sinusförmigen
Komponenten von Spannung und Strom ab. (Kleinere offensichtliche
Abweichungen bei den angegebenen Zahlen und zwischen Zahlen und
Diagramm sind durch Effekte zweiter Ordnung bedingt, die durch Spannungs- und Strom-Harmonische
und Salienz eingeführt
werden.) Die Größen Vcap
und Vind sind die Spannungen, die über dem Kondensator bzw. über der
inneren Maschineninduktivität
abfallen, Vterm ist die Ausgangsanschlussspannung der Maschinen-Kondensator-Kombination,
Vmc ist die Spannung an den Anschlüssen der Maschine und Vnl ist
der bestimmte Wert von Vmc bei Leerlauf. Die Zeiger-Beziehungen
lauten: Vind = j I Xint; Vcap = –j I Xcap; Vterm = Vnl – (Vind
+ Vcap); Vmc = Vnl – j
I Xint. Es wird deutlich, dass die Ausgangsspannung dem Betrag nach
der Leerlaufspannung ähnlich
ist, wenn die Kondensatoren vorhanden sind, wobei eine nahezu vernachlässigbare
Verringerung (geringe Spannungsänderung)
gezeigt wird. Auch ist zu sehen, dass die Spannung an den Maschinenanschlüssen dem
Betrag nach der Leerlaufspannung ähnlich ist, wobei sich wieder
eine kleine Verringerung zeigt, und dass der Phasenwinkel zwischen
Vmc und I klein ist, was einen inneren Leistungsfaktor (gleich dem Cosinus
dieses Winkels unter Vernachlässigung
kleinerer harmonischer Effekte in den Strom- und Spannungswellenformen)
ergibt, der nahe bei eins liegt.
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6 zeigt
die Situation, wenn die Kondensatoren entfernt worden sind und versucht
wird, dennoch mit 105 kW zu arbeiten. Vmc (die nun dieselbe wie
Vterm ist) ist mit 228 V stark verringert (große Änderung). Der Strom I nimmt
auf den inakzeptabel hohen Wert von 166 A zu, der die Maschine zügig überhitzen
wird, und Vind nimmt entsprechend zu. Ein weiterer wichtiger Punkt,
der nicht unmittelbar aus der Betrachtung des Diagramms ersichtlich
wird, ist der, dass diese Betriebsbedingung jetzt unerwünscht dicht
am absoluten Grenzwert der Leistungsabgabe liegt.
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Die
folgende Diskussion macht deutlich, warum ein Wert der Frequenz
zu bevorzugen ist, der zweckentsprechend auf den Leistungs-Nennwert
bezogen ist. Wenn die Leistungs-, Spannungs- und Stromdaten wie
oben spezifiziert, aber auf eine 4-polige Maschine bezogen wären, die
der Diskussion halber mit nur einem Zehntel der Drehzahl = 8.000/min
läuft,
würde offensichtlich
10-mal so viel Kapazität
benötigt.
Dies könnte
erreicht werden, indem man 10 Einheiten desselben Kondensators wie vorher
parallel nimmt, was 10-mal so viel kosten und das 10-fache der Strombelastbarkeit
bieten würde – was in
diesem Beispiel nicht verlangt ist. Strombelastbarkeit wird verschwendet,
und die Kosten der Kondensatoren pro kW Leistungs-Nennwert werden daher
mit 10 multipliziert, und dies würde
wahrscheinlich die Kosteneinsparungen überschreiten, die durch die
verringerte Größe der Maschine
bei der gegebenen Leistung erzielt wird. Alternativ könnte die
erhöhte
Kapazität
in einer einzigen größeren Einheit
erreicht werden, die zum 10-fachen Volumen und wiederum 10-fachen
Preis tendieren würde,
aber wegen Anschlussschwierigkeiten keine so große Erhöhung des Strom-Nennwerts böte. Derartige
Betrachtungen führen
zu der allgemeinen Schlussfolgerung, dass für den größten Vorteil die Frequenz ausreichend
hoch sein muss, sodass die Kombination von Kapazitäts-, Spannungs-
und Strom-Nennwerten dazu tendiert, gut mit dem natürlichen
Optimum dessen übereinzustimmen,
was mit der Technologie metallisierter Folienkondensatoren bei den
gegebenen Nennwerten erreicht werden kann. Diesbezüglich tendieren
MTG-Einheiten dazu, ein Beispiel einer besonders guten Übereinstimmung
zu sein, und die Kosteneinsparungen, die durch Anwenden der Erfindung
in dieser Ausführungsform
erzielt werden, sind sehr erheblich.
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Jedoch
muss jeder Fall beurteilt werden. Die obige Ausführungsform ist anhand eines
Beispiels beschrieben worden und lediglich als bevorzugt und veranschaulichend
für die
beschriebenen erfinderischen Konzepte anzusehen. Der Umfang der
Erfindung ist nicht auf die Ausführungsform
zu beschränken.
Verschiedene und andere Anordnungen können durch den Fachmann erdacht
werden, ohne den Geist und Umfang dieser Erfindung zu verlassen.
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Beispielsweise
betrifft die obige Beschreibung eine Ausführungsform, die eine Reihenschaltung
für die
Kondensatoren beinhaltet, eine alternative Möglichkeit ist es aber, Kondensatoren über den Maschinenanschlüssen parallel
zur äußeren Last
anzuschließen.
Dies kann eine Verbesserung bei der Span nungsänderung und der Ausgangsleistungsfähigheit
in einer Art und Weise erreichen, die im Prinzip der Wirkung von
Reihenkondensatoren ähnlich ist.
Jedoch gibt es Merkmale der Parallelschaltung die in einer praktischen
Ausführungsform
weniger wünschenswert
sein können.
Insbesondere gilt: Es tritt eine erhebliche Erhöhung der Klemmenspannung der
Maschinen-Kondensator-Kombination
bei Leerlauf auf (wohingegen Reihenkapazität unter dieser Bedingung keinen
Effekt aufweist), und es kann erforderlich sein, die Maschine umzukonstruieren, um
diese Spannung auf eine wünschenswerte
Höhe herunterzubringen;
die Wirksamkeit der hinzugefügten
Kondensatoren tendiert grundsätzlich
dazu, mit Erhöhung
der Last abzunehmen, weil der Betrag des Kondensatorstroms, der
durch die Maschine aufgenommen wird, relative zum Betrag des Abnahmelaststroms
kleiner wird (wohingegen die Wirksamkeit von Reihenkondensatoren
bis zu hohen Lastniveaus gut aufrechterhalten wird, wie diskutiert
wurde); typischerweise kann festgestellt werden, dass die kombinierten
Spannungs-/Strom-/Frequenzanforderungen für Parallelkondensatoren, verglichen
mit den Anforderungen für
Reihenkondensatoren, nicht so gut zu dem passen, was innerhalb der
Grenzen der Fertigungstechnologie verfügbar ist. Jedoch kann es bei einigen
Systemspezifikationen gleichwohl möglich sein, dass die Parallelkonfiguration
zu bevorzugen ist.