-
Verfahren zur Ausnutzung von Turbogeneratoren mit hoher Frequenz für
die Speisung von Verbrauchern mit Wechselspannungen normaler Frequenz oder Bahnfrequenz
Es ist bekannt, -daß Dampfturbinen sich besonders günstig für den Betrieb mit hohen
Drehzahlen ausbilden lassen. Auch für größere Leistung beherrscht der moderne Dampfturbinenbau
Drehzahlen, die weit oberhalb der Drehzahlen liegen, die für die unmittelbare Kupplung
mit elektrischen Generatoren für Wechselspannungen normaler Frequenz noch geeignet
sind. Es mußte daher bis jetzt vielfach ein Kompromiß geschlossen werden, denn Turbogeneratoren
lassen sich, da die Polpaarzahl nicht kleiner als z gewählt werden kann, für Spannungen
von 50 Hz höchstens für 3000 U/min verwenden. Soll die Turbine trotzdem
schneller laufen, so war man bisher gezwungen, ein Untersetzungsgetriebe anzuwenden
und alle die bekannten Nachteile eines solchen schnellaufenden Getriebes in Kauf
zu nehmen.
-
Die Erfindung gibt nun einen Weg an, der die Ausnutzung von schnellaufenden
Turbogeneratoren, die unmittelbar mit Turbinen beliebig hoher Drehzahl gekuppelt
sind, für die Speisung von Verbrauchern mit normaler Frequenz oder Bahnfrequenz
ermöglicht. Gemäß der Erfindung werden die von den Turbogeneratoren erzeugten mehrphasigen
Spannungen durch periodische Änderung der Erregung der Turbogeneratoren so vorbereitet,
daß ihre Amplituden gemeinsam von einer insbesondere sinusförmigen oder annähernd
sinusförmigen Hüllkurv e von der gewünschten Frequenz umgrenzt sind, und hernach
die nach dieser Umgrenzungslinie sich ändernden Wechselspannungen durch eine der
üblichen Umrichterschaltungen auf die für die Verbraucher erforderliche Kurvenform
umgerichtet.
-
Es ist an sich bekannt, zum Umwandeln von Mehrphasenstrom höherer
Frequenz in Einphasenstrom niederer Frequenz den Anoden von Stromrichtergruppen
elektromotorische Kräfte zuzuführen, die in anderer Weise wie nach der Erfindung
derart vorbereitet werden, daß sie in ihrer Größe und cyclischen Reihenfolge abgestuft
sind und
ihre Amplituden gemeinsam von einet- insbesondere sinusförmigen
Hüllkurve -lsegrenzt werden. Die bei solchen Frequenzumwandlungen nach bekannten
Hüllkurvenverfahren angewendeten Schaltungen, um den einzelnen Halbwellen der Hüllkurven
schließlich für
die endgültige Kurvenbildung der Ausgangsspannung die gewünschte
Richtung zu geben, sind die gleichen, wie sie bei der Endstufe des Verfahrens nach
der Erfindung angewendet werden können.
-
Das Verfahren nach der Erfindung weist eine Reihe beachtlicher Vorteile
auf. Während bisher die Frequenz der von einem Turbogenerator an den Verbraucher
gelieferten Spannung in einem festen Verhältnis zu der Drehzahl des Generators stehen
mußte, ist jetzt die Höhe der Frequenz der Generatorspannung beliebig wählbar, und
zwar nicht nur bezüglich der absoluten Höhe, sondern auch in Anpassung an den jeweiligen
Belastungszustand, beispielsweise an die für die Turbinen jeweils günstigsten Verhältnisse.
Die Frequenz der Ausgangsspannung wird durch die Frequenz der Erregung bestimmt.
Dadurch werden ferner Frequenzänderungen der Ausgangsspannung in den weitesten Grenzen
möglich, ohne daß die Leistungsfähigkeit der Turbine und des Generators, die ja
eine beliebige Drehzahl beibehalten, beeinflußt wird. Um das Anlassen von Asynchronmaschinen
durchzuführen, braucht jetzt also nicht mehr die Drehzahl einer Turbine herabgesetzt
zu werden, sondern bei einer Anordnung nach der Erfindung lediglich die Erregerwicklung
des Generators mit einer Wechselspannung niedrigerer Periodenzahl gespeist zu werden.
Als Vorteil tritt dabei in Erscheinung, daß die Erregerwicklung nur einen dem Frequenzverhältnis
entsprechenden Beitrag zur Leistungslieferung liefert, also die Einstellung der
Frequenz der an die Verbraucher zu liefernden Spannung mit verhältnismäßig kleinen
Regeleinrichtungen bei leichter Regelmöglichkeit erzielt wird.
-
Die Erfindung soll an Hand der Fig. i genauer beschrieben werden.
Der Turbogenerator besteht aus dem Läufer i und der Erregerwicklung 2. Würde das
Feld mit Gleichstrom erregt, so würde in dem angetriebenen Läufer eine Wechselspannung
von der Frequenz f1 erzeugt werden. Wird dagegen die Erregerwicklung des Generators
erfindungsgemäß mit einer Wechselspannung von der Frequenz f2 gespeist, so entsteht
in jeder Phase des Läufers eine Spannung, wie sie in Fig. 2 für drei Phasen i, 2,
3 im einzelnen wiedergegeben ist. Wie zu erwarten war, sind die Amplituden dieser
Spannungen nicht konstant, sondern. ändern sich in ihrer Höhe entsprechend dem Feld
der mit der Wechselspannung von der Frequenz f2 gespeisten Erregerwicklung. Die
Kurve der derart vorbereiteten Wechselspannung liegt praktisch v dllkommen innerhalb
einer sinusförmigen Uingrenzungslinie entsprechend der sinusförmigen Feldänderung
der mit der Wechselspannung von der Frequenz f2 gespeisten Erregerwicklung.
-
Die derart vorbereitete Wechselspannung wird bei vorliegendem Ausführungsbeispiel
über den Transformator 3 mit zwei sekundären Wicklungssternen zwei Gruppen von Entladungsstrecken
i', 3' und 5' bzw. i", 3" bzw. 5" zugeführt, über die der Ausgangstransformator
6 gespeist wird. Bei Ohmscher Belastung erfolgt die Stromlieferung in der Zeit von
t-t' entsprechend der im positiven Bereich verlaufenden Halbwelle der Hüllkurve
beispielsweise über die Gruppe q., während der Zeit t'-t" entsprechend der im negativen
Bereich verlaufenden Halbwelle dagegen über die Gruppe 5. Die als Gleichrichter
arbeitenden Entladungsstrecken haben eine besonders einfache Aufgabe zu erfüllen;
denn die Einzelspannungen sind so vorbereitet, daß die Stromlieferung ähnlich wie
bei dem gewöhnlichen Gleichtrichterbetrieb jeweils von der Anode mit der höchsten
Augenblicksspannung übernommen werden kann. Da sich diese Spannungen sämtlich in
die Hüllkurve einfügen, ist keine Einzelsteuerung der Anoden erforderlich. Die Gleichrichter
haben im Grunde nur die Hauptforderung zu erfüllen, daß jeweils umschichtig eine
Halbwelle der Wechselspannung mit der Ausgangsfrequenz gesperrt und eine Halbwelle
betriebsbereit ist. Hierzu können die an sich bekannten Umrichtergrundschaltungen
benutzt «-erden.
-
Zu der Erzeugung der einzelnen Phasenspannungen im Generator ist folgendes
zu bemerken: Die Phasenspannung ist in Größe und Verlauf abhängig von der Flußänderung
nach der bekannten Beziehung
Dabei ist 0 der die Ankerwicklung durchsetzende Fluß. Dieser Fluß ist im vorliegenden
Falle einmal eine Funktion der Drehung, außerdem eine Funktion der Erregung, die
erfindungsgemäß periodisch geändert wird. Beide Faktoren mögen sich beispielsweise
nach einer Sinusfunktion ändern. Es ergibt sich dann 0 = c # cos 29 flt #
sin 2n f..,t, (2)
wobei wiederum f2 die Frequenz der der Erregerwicklung zugeführten
Wechselspannung und f1 die Frequenz der bei Gleichstromerregung in der Ankerwicklung
des Generators
erzeugten Wechselspannung bedeuten. Bei der Ausrechnung
erhält man dann e = k (f, `f f2) # Cos 29 (f, -1- f2)t (3)
-'
(f,--f2) - COS 27L (fl-f2)t oder .
-
E-Aa..COS2nfa#t-Ab-COS27Lfb't. (q.) Aus dieser Gleichung geht hervor,
daß die Spannung eine Überlagerung von zwei sinusförmig verlaufenden Spannungen
ist, deren eine mit der Amplitude Aa und der Frequenz f, = fi -I-
f2, die andere mit der Amplitude Ab
und der Frequenz f b = f
1-f2 verläuft. Das Verhältnis der beiden Amplituden ist gleichzeitig durch die Beziehung
gegeben. Der Verlauf dieser Kurven ist in der Fig.-2 für ein Dreiphasensystem dargestellt,
wobei sich die Frequenzen f1 und f2 wie 6 : i verhalten. Die in der Zeichnung stark
ausgezogene Umhüllende dieser Kurven hat dabei ebenfalls die Frequenz f2. Die Hüllkurve
kommt der gewünschten sinusförmigen Spannung, von der Frequenz f2 schon sehr nahe.
Nur in der Nähe des Nulldurchganges treten kleine Abweichungen auf, die aber für
einen Umrichterbetrieb durchaus unwesentlich sind. Diese kleinen Abweichungen rühren
davon her, daß die Amplituden der Einzelschwingungen Aa und Ab nicht vollkommen
gleich sind. Aus der Beziehung (3) ist zu ersehen, daß der Amplitudenunterschied
wiederum eine Funktion der einzelnen Frequenzen ist. Je höher die Generatorfrequenz
f1 gegenüber der verwendeten Erregerfrequenz f2 ist, um so geringer sind die Amplitudenunterschiede,
und um so weniger weicht die Kurve der Ausgangsspannung von der idealen Sinuskurve
der Frequenz f2 auch im Nulldurchgang ab. Ein Zahlenbeispiel soll dies im folgenden
zeigen.
-
Beträgt die normale Generatorfrequenz f1 3oo Hz, die Erregerfrequenz
f2 5o Hz, so ergibt sich die resultierende Spannungskurve als Überlagerung dieser
Schwingung von fa = 350 Hz mit der Amplitude 350 und einer
Schwingung von fb = 25o Hz mit der Amplitude von 25o. Würde statt dessen bei der
gleichen Generatorfrequenz eine Erregerspannung von der Frequenz f2 = i62/3Hz verwendet
werden, so würde das Verhältnis der Amplituden
gegenüber
im vorigen Beispiel betragen. Somit ist auch schon eine sehr gute Annäherung an
die ideale Kurve der Frequenz f2 erreicht.
-
Die vorstehend festgestellte geringe Abweichung kann aber gemäß einer
weiteren Ausbildung der Erfindung für beliebige Verhältnisse zwischen der Generatorfrequenz
und der Erregerfrequenz vollkommen beseitigt werden. Dieser Schritt läßt sich an
Hand eines Gedankenbildes am besten kennzeichnen. Das einphasige pulsierende Feld
der Wechselstromerregung des Generators läßt sich bekanntlich in ein konstantes
Drehfeld,. das gleichsinnig umläuft, und in ein ebenso großes konstantes Drehfeld,
das gegensinnig umläuft, zerlegen. Aus den Schnittgeschwindigkeiten der Läuferwicklung
mit diesen beiden Feldern ergibt sich ohne Rechnung sofort die obengenannte Beziehung
für die Phasenspannung.
-
Es ist nun unmittelbar zu ersehen, daß die verschiedenen Amplituden
einfach durch die verschiedenen Schnittgeschwindigkeiten gegeben sind. Diese sind
für das synchron umlaufende Feld f1- f2 und für das invers umlaufende Feld fi -1-
f2. Die Weiterbildung der Erfindung besteht nun darin, daß der Generator tatsächlich
von zwei Drehfeldern erregt wird, und zwar von gleicher Frequenz, aber verschiedenem
Drehsinn. Ferner wird erfindungsgemäß die Amplitude für die beiden Drehfelder verschieden
gewählt, und zwar in umgekehrtem Verhältnis der Schnittgeschwindigkeit. Auf diese
Weise werden die Spannungsamplituden für beide Frequenzen vollkommen gleich; somit
fügen sich jetzt die Einzelspannungen auch zu den Zeiten des Nulldurchganges in
die umhüllende Kurve einer Sinusspannung mit der Frequenz f2 vollkommen ein. Soll
mit dieser Einrichtung bei verschiedenen Frequenzen gearbeitet werden, so ist es
zweckmäßig, das Größenverhältnis der beiden Drehfelder entsprechend dem jeweiligen
Frequenzverbältnis zu ändern.
-
Die vorstehend beschriebene Berichtigung der Feldverhältnisse kann
technisch einfacher noch auf eine andere Weise erzielt werden. Diese Vereinfachung
besteht erfindungsgemäß darin, daß zur Erzeugung des pulsierenden Feldes ein einphasiger
Wechselstrom verwendet und lediglich zum Zwecke der Berichtigung der Amplitude ein
Drehfeld der gleichen Frequenz, aber von wesentlich geringerer Amplitude überlagert
wird. Dieses überlagerte Drehfeld hat die Aufgabe, die inverse Komponente des zerlegt
gedachten Grundfeldes zu schwächen oder aber die synchrone Komponente des zerlegt
gedachten Feldes zu verstärken. Die Phasenlage und Amplitude des zusätzlichen Drehfeldes
müssen dann dementsprechend gewählt werden.
Fei Änderung des Frequenzverhältnisses
braucht jetzt nur das zusätzliche Drehfeld in seiner Amplitude geregelt zu werden.
-
Bei der Anordnung von zwei Drehfeldern in einer Maschine müssen natürlich
die gegenseitigen transformatorischen Wirkungen berücksichtigt werden. Der durch
zwei Drehfelder erregte Turbogenerator wird beispielsweise so ausgebildet, daß der
Ständer aus zwei getrennten zweckmäßig in einem Gehäuse angeordneten Eisenkörpern
besteht, von denen der eine das synchron umlaufende Feld und der andere das invers
umlaufende Feld der Erregung liefert, während der Läufer beiden Ständerteilen gemeinsam
ist.
-
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. i ist ein besonderer Transformator
für den Anschluß der Gleichrichter vorgesehen; es lassen sich aber die beiden Gruppen
von Entladungsstrecken auch unmittelbar an die Maschinenspannung anschließen, wie
es in Fig. 3 sechsphasig für die Lieferung von Ohrnscher Last dargestellt ist. Es
sind aber auch andere für Umrichter angegebene Grundschaltungen für den Gegenstand
der Erfindung anwendbar. Ob mit einem Zwischentransformator 3 und einem gemeinsamen
Entladungsgefäß oder ohne den Transformator 3 und zwei Gruppen von Entladungsstrecken
mit verschiedenem Kathodenpotential (Fig.3) oder schließlich nach der Kreuzschaltung
ohne Ausgangstransformator gearbeitet wird, hängt von dem Verwendungszweck des Gegenstandes
der Erfindung ab. Auch die Phasenzahl des Generators kann entsprechend der gewünschten
Schaltung zewählt werden. Die Arbeitsweise der beiden. Gruppen von Entladungsstrecken
ist bisher so dargestellt «-orden, als ob sie nur Wirkleistung liefern könnten.
Tatsächlich kann aber die Blindleistung auch von der primären Seite unmittelbar
bezogen werden. Zu diesem Zweck muß, wie von den entsprechenden Umrichterschaltungen
an sich bekannt ist, die eine Gruppe, während die andere Gruppe im Gleichrichterbetrieb
arbeitet, mit Wechselrichtersteuerung in Bereitschaft stehen, um bei einem Stromwechsel
den Strom übernehtnen zu können. Statt die Blindleistung von der primären Seite
zu beziehen, wird in vielen Fällen ein Blindleistungsspeicher auf der Ausgangsseite
zweckmäßiger sein, der die Maschine von der Lieferung phasenverschobener Ströme
entlastet.
-
In den vorstehenden Ausführungen ist die Erfindung nur an einem Ausführungsbeispiel
veranschaulicht worden, das einen einphasigen Wechselstrom an den Verbraucher liefert.
Die Erzeugung von mehrphasigenV erbraucherströmen erfolgt erfindungsgemäß durch
die Anwendung von mindestens zwei Generatoren, deren Erregerwicklungen von gegeneinander
phasenverschobenen Strömen gespeist werden. So lassen sich insbesondere Zwei- und
Dreiphasensysteme bilden, die im allgemeinen erwünscht sind. Die dabei in Betracht
kommende Anwendung von zwei oder mehreren einphasigen Umrichteranordnungen ist an
sich zur Bildung zwei- oder mehrphasiger Ausgangsspannungen bekannt.
-
Ein Drehstromsystem kann erfindungsgemäß auch mit Hilfe von Generatoren
mit zwei um 9o° e1. versetzt angeordneten Erregerwicklungen erzeugt werden, wobei
die Phasenzahlumformung auf der Ausgangsseite mit Hilfe eines Scottschen Transformators
erfolgt. Die Generatoren werden zweckmäßig auf einer gemeinsamen Welle angeordnet.
-
Bei der Ausbildung der Generatoren ist noch 'folgendes zu beachten:
Wegen des Wechselflusses muß das Eisen der Erregerpole des Generators lamelliert
ausgeführt werden. Ferner ist zu beachten, daß die Erregerwicklung nicht nur die
Magnetisierung zu übernehmen hat, sondern auch einen gewissen Teil zur Leistungslieferung
beiträgt. Der Erregerbedarf Ne richtet sich nach dem Frequenzverhältnis, und zwar
beträgt er
wobei N die Nutzleistung bedeutet.
-
Im allgemeinen, besonders dann, wenn die Frequenz für den Verbraucher
stark herabgeregelt wird, beträgt der Leistungsbedarf der Erregerwicklung nur einen
geringen Bruchteil der gesamten Belastung des Generators, wie oben bereits erwähnt
wurde.
-
Die gesamte Anordnung kann zur Lastübernahme auf zwei verschiedene,
gegebenenfalls gleichzeitig anwendbare Arten herangezogen werden, und zwar durch
Verstärkung des Feldes in seiner Amplitude oder bzw. und durch Steigerung der Drehzahl
der Turbine.
-
Die Einstellung einer gewünschten Phasenlage wird durch Änderung der
Phasenlage der Erregerwechselströme des Generators erzielt.