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Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie mit Wechselstrommaschinen
veränderlicher Drehzahl Bei der Prüfung von Verbrennungsmotoren für Flugzeuge usw.
spielt die Rückgewinnung der beim Abbremsen auftretenden Energie eine wichtige Rolle,
weil es sich sowohl um große Leistungen über viele Stunden als auch um große Stückzahlen
handelt. Da die Motoren jedoch bei verschiedenen Drehzahlen mehr oder weniger lange
Zeit gefahren werden müssen, ist die Umwandlung der Bremsleistung in elektrische
Leistung nicht ohne weiteres möglich. Es ist z. B. bekannt, die Bremsenergie mit
L eonardumformern nutzbar zu machen, doch erfordert dies einen sehr hohen Maschinenaufwand,
da für jeden Prüfstand ein solcher Maschinensatz benötigt wird. Lösungen mit dem
Ersatz des Leonardumformers durch einen Drehstromnebenschlußmotor benötigen zwar
nur eine Maschine je Prüfstand, doch leiden sie unter dem Nachteil, daß diese Motoren
für den geforderten großen Regelbereich und die großen Leistungen nicht gebaut werden
können. Andere Lösungen verwenden einen Asynchronmotor mit Schlupfwiderstand oder
mit Voith-Sinclair-Kupplung, doch
treten hierbei wieder beträchtliche
Schlupfverluste auf, wenn die Drehzahl von der synchronen abweicht.
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Die Erfindung vermeidet nun die genannten Nachteile und ermöglicht
die Verwendung nur einer einzigen umlaufenden Maschine für jeden Prüfstand, die
für beliebige Leistungen und Drehzahlregelbereiche ausgeführt werden kann und stets
die ganze anfallende Bremsenergie in das Netz zurückliefert. Erfindungsgemäß dient
als Bremsgenerator eine Synchronmaschine mit kleinem Kurzschlußverhältnis, die über
einen normalen urgesteuerten Gleichrichter und einen Wechselrichter auf das Drehstromnetz
konstanter Spannung arbeitet. Kleines Kurzschlußverhältnis bedeutet, daß der durch
den Erregerstrom verursachte Strombelag klein ist gegenüber dem Laststrombelag.
Der Ständerstrorn ist daher im wesentlichen durch den Läuferstrom bestimmt, und
zwar unabhängig von der Spannung und Frequenz. Ist der Läuferstrom konstant, so
liefert die Maschine -- solange sich keine Sättigung bemerkbar macht - bei allen
Spannungen und Drehzahlen auch einen nahezu konstanten Ständerstrom. Dieser Ständerstrom
wird nun durch einen urgesteuerten Gleichrichter in Gleichstrom umgeformt und über
einen Wechselrichter in Drehstrom übergeführt. Durch das Drehstromnetz ist die Spannung
im Gleichstromzwischenkreis und damit auch am Bremsgenerator bestimmt, der sich
dieser Spannung bei allen Drehzahlen selbsttätig anpaßt. Ein besonderer Vorteil
der Anordnung besteht nun darin, daß für eine ganze Anzahl von Bremsgeneratoren
ein gemeinsamer Wechselrichter vorgesehen werden kann. An Stelle des Wechselrichters
kann auch ein vorhandenes Gleichstromnetz, eine Akkumulatorenbatterie od. dgl. treten.
Die Bremsleistung eines jeden Prüfstandes kann in einfacher Weise durch die Erregung
des betreffenden Bremsgenerators geregelt werden. Infolge des Gleichstromzwischenkreises
ist die Übertragung von Blindleistung nicht möglich, so daß jedes Mehr an Läuferstrom
nach Abzug des für die Feldbildung benötigten Anteiles einen vergrößerten Wirkstrom
im Ständer zur Folge hat. Kleines Kurzschlußverhältnis. hat kleine Abmessungen der
verwendeten Generatoren zur Folge.
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An Hand von Ausführungsbeispielen soll der Erfindungsgedanke noch
näher erläutert werden. In Fig. i bezeichnen i und a Verbrennungsmotoren, die mit
je einem Bremsgenerator 3 und d. gekuppelt sind. Die Generatoren sind mit kleinem
Kurzschlußverhältnis ausgeführt, so daß der Erregerstrombelaö klein gegenüber dem
Laststrombelag ist. Die Größe des Ständerstromes ist daher im wesentlichen durch
den Läuferstrom bestimmt. Die beiden Generatoren arbeiten über je einen Gleichrichter
5 bzw. 6 auf einen Gleichstromzwischenkreis 7 und 8, von wo aus der Strom über einen
Wechselrichter 9 in Drehstrom normaler Frequenz umgeformt und dem Drehstromnetz
io zugeführt wird. Gleich- und Wechselrichter sind in dreiphasiger Grätzschaltung
mit einanodigen Gefäßen dargestellt, was den Vorteil hat, daß keine besonderen Stromrichterumspanner
benötigt werden und die Generatoren. mit normaler Drehstromwicklung ausgeführt werden
können. Zur Glättung des Gleichstromes kann eine Drosselspule i i vorgesehen werden.
Die Anordnung wirkt folgendermaßen Die Spannung auf den Gleichstromsammelschien.en
7 und 8 kann über ein gewisses Maß, das durch die Spannung des Drehstromnetzes io
gegeben ist, nicht ansteigen. Sobald daher einer der Generatoren 3 oder d., von
seinem Verbrennungsmotor angetrieben und im Läufer mit einem bestimmten Strom erregt,
diese Spannung erreicht hat, wird jeder weitere Spannungsanstieg im Generator dadurch
verhindert, daß der Generator Wirkstrom abgibt, der über den Wechselrichter 9 in
das Drehstromnetz geliefert wird. Ist der zur Feldbildung im Generator benötigte
Erregerstrom klein gegenüber dem Läufer zugeführten Strom, so entspricht der Ständerstrom,
der ja nur als Wirkstrom mit cos cp=i auftreten kann, in der Größe weitgehend dem
Läuferstrom: In Fig: ä ist dies an einem einfachen Zeigerbild der Ströme und Spannungen
unter Vernachlässigung der Ohmschen und induktiven Spannungsabfälle dargestellt.
Der Läuferstrom sei auf einem festen Wert J, eingestellt. Bei einer bestimmten Drehzahl
benötige die Maschine zur Erzeugung einer der Klemmenspannung entgegengesetzt gleich
großen Spannung den Erregerstrom Je.
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Um den Überschuß des Läuferstromes aufzuheben, muß der Ständerstrom
die Größe Ji bei cos (p=i annehmen. Bei kleinerer Drehzahl ist die Frequenz kleiner,
und der Erregerstrom muß einen größeren Wert Je, haben. Demgemäß ist der Ständerstrom
auf den kleineren Wert Iia gesunken. Man erkennt aus dem Schaubild, daß sich
11 um 120 weniger ändert, je kleiner 1e gegenüber J" ist. Der Winkel, den
.T2 mit der Abszissenachse bildet, stellt den sogenannten Polradwinkel -d dar. Das
Produkt von LT und J1 entspricht der abgegebenen Leistung. Wie man erkennt, kann
diese durch Regelung von J2 auf jeden beliebigen Wert gebracht werden. Solange die
von dem Generator entwickelte Spannung, sei es wegen zu geringer Drehzahl oder wegen
ungenügender Erregung, die Klemmenspannung noch nicht zu überwinden vermag, findet
noch keine Rücklieferung von Bremsleistung statt. Der Gleichrichter verhindert aber
hierbei auch selbsttätig, daß eine Speisung de: Generators als Motor unter Umkehr
der Stromrichtung stattfindet. In gleicher Weise kann auch der zweite Generator
arbeiten, beide bei ganz verschiedenen Drehzahlen und Leistungen, weil durch die
Zuordnung je eines Gleichrichters jeder Generator in seiner Frequenz unabhängig
vom anderen wird. Aus diesem Grunde ist auch kein Kippen möglich. Jeder Generator
wird stets die durch Klemmenspannung und Läuferstrom bestimmte Leistung verarbeiten,
so daß sich darauf sehr leicht eine selbsttätige Regelung aufbauen läßt. Da die
Leistung im wesentlichen konstant bleibt, bedeutet
dies, daß die
Maschinen mit veränderlichem Feld arbeiten, mit abnehmender Drehzahl nimmt das Feld
zu. Wenn eine weitere Zunahme wegen der Sättigung nicht stattfinden kann, ist die
untere Drehzahlgrenze erreicht. Man kann aber auch dann noch eine weitere Abwärtsregelung
erhalten, wenn man die Gleichrichter von zwei Maschinen in Reihe schaltet, wie es
in Fig.3 angedeutet ist. Durch geringere Unterschiede in der Erregung kann man-dabei
die Spannung auf beide Maschinen beliebig verteilen.
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In der Schaltung nach Fig. i können beliebig viele Maschinen auf das
Gleichstromnetz 7, 8 parallel arbeiten. Der Gesamtstrom kann durch eine Drosselspule
i i geglättet und über einen Wechselrichter 9 dem Drehstromnetz io zugeführt werden.
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Es ist ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung, daß
sie mit normalen urigesteuerten Stromrichtern arbeitet, so daß die mit der Verwendung
von gesteuerten Gefäßen namentlich bei Teilaussteuerung verbundenen Nachteile nicht
auftreten. Auch wenn die gewonnene Energie nicht in einem Gleichstromnetz nutzbar
gemacht werden kann, sondern über einen gemeinsamen '\Techselrichter in das Drehstromnetz
geliefert wird, arbeitet dieser stets mit Vollaussteuerung, so daß auch hier die
Nachteile der Teilaussteuerung (starker Oberwellengehalt, Blindleistung usw.) entfallen.
Ein weiterer Vorteil ist die leichte Regelbarkeit der Leistung, die im Gegensatz
zu unmittelbar parallel arbeitenden Synchronmaschinen durch Beeinflussung der Erregung
erfolgt.
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Man kann die erfindungsgemäße Anordnung auch zum Betriebe von Unterwasserkraftwerken
benutzen, bei denen Generator und Turbine zu einer Einheit zusammengefaßt sind;
der Läufer des Generators stellt zugleich auch das Turbinenlaufrad dar. Eine Regelung
der Turbine-idrehzahl durch Leit- und Laufradverstellung ist bei diesen Maschinen
wegen der einfachen Bauweise nicht möglich, so daß sie ungeregelt gefahren werden
müssen. Hier kann nun die fehlende Turbinenregelung in einfacher Weise durch die
Regelung des Läuferstromes ersetzt werden., der die Turbinenleistung und damit auch
ihre Drehzahl vorschreibt. Günstigste Werte von Drehzahl und Leistung können hierbei
je nach dem vorhandenen Gefälle und Wassermenge einander zugeordnet werden.
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Auch für die Energieübertragung auf weite Entfernungen mittels Gleichstrom
kann dieAnordnung mit Vorteil verwendet werden. Einmal entfällt jede Frequenzhaltung
im stromliefernden Kraftwerk. Es kann vielmehr jeder Generator mit ungeregelter
Drehzahl gefahren werden, wodurch wesentliche Vereinfachungen in der Regelung der
Kraftmaschinen eintreten. Ferner können die Generatoren mit kleinstmöglichem Kurzschlußverhältnis
ausgeführt werden; weil eine Möglichkeit zum Kippen für sie nicht besteht. Die Generatoren:
erhalten demnach kleine Abmessungen und Gewichte. Auch die Spannungshaltung und
Lastverteilung erfolgt ausschließlich durch den Läuferstrom der einzelnen Maschinen.
Zur Gewinnung hoher Übertragungsspannungen können die Gleichrichter der einzelnen
Generatoren auch in Reihe geschaltet werden, wodurch sich zwangläufig für alle Maschinen
der gleiche Ständerstrom ergibt. Die Spannungsverteilung auf die einzelnen Maschinen
wird dann durch Unterschiede im Läuferstrom gewährleistet.
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An Stelle der Stromrichterschaltungen in Grätzschaltung können natürlich
auch andere Schaltungen unter Verwendung von Umspannern verwendet werden.