Wynalazek dotyczy urzadzenia *do wytwarza¬ nia pradu zmiennego, w którym w celu otrzy¬ mania stalej czestotliwosci wyjsciowej przy zmiennych obrotach silnika napedowego jest napedzany stojan pradnicy z przelaczanymi biegunami.W urzadzeniach napedzanych silnikami, któ¬ re oprócz wytwarzania trójfazowego pradu zmiennego dostarczaja równiez mechanicznej energii innym odbiornikom, czesto sie zdarza, ze obroty silnika napedowego ulegaja mniej¬ szym lub wiekszym wahaniom. Wahania te sa spowodowane zmiennym obciazeniem urzadze¬ nia, ^m W wiekszosci przypadków mozna jednak przy¬ jac zalozenie, ze normalna praca urzadzenia odbywa sie przy najwiekszych obrotach i ze tyl¬ ko w krótkich okresach czasu silnik napedowy obraca sie wolniej. Wahania obrotów silnika na¬ pedowego, które w dalszej czesci opisu nazwa* no spadkiem obrotów, moga byc rózne dla róz¬ nych typów silnika napedowego; np. dla silnika lotniczego spadek obrotów wynosi 50% i wiecej (spadek obrotów ze 100% na 50%). W urzadze¬ niach do wytwarzania pradu stalego skutki wa¬ hania obrotów moga byc wyrównane za pomoca regulacji pola. W urzadzeniach do wytwarza¬ nia trójfazowego pradu zmiennego, np. na po¬ kladzie samolotu,, zastosowanie takiego sposo¬ bu nie jest mozliwe, gdyz spadek obrotów sil¬ nika napedowego powoduje zmiane czestotliwo¬ sci pradnicy. W takich przypadkach próbowa¬ no zastosowac dodatkowe urzadzenie reguluja¬ ce czestotliwosc, przylaczone do zacisków wyj¬ sciowych pradnicy. Przy malych wahaniach czestotliwosci urzadzenia zastosowanie tego spo¬ sobu nie przedstawia trudnosci, gdyz moc, do¬ prowadzona w tym przypadku do dodatkowego urzadzenia regulujacego czestotliwosc, jest ma¬ la, a spadek obrotów miesci sie wtedy w wa¬ skich granicach. Gdy natomiast spadek obrotów wynosi jak dla silników lotniczych 50% i wie¬ cej, wówczas urzadzenie, regulujace czestotli¬ wosc, bedzie wymagalo dostarczenia mocy na¬ pedowej, wynoszacej 50% mocy elektrycznej urzadzenia glównego. Urzadzenie takie posiada¬ lo te wade, ze jest ciezkie i przy normalnej pracy, tzn. przy pelnych obrotach, w ogóle nie bedzie wykorzystane.W celu podwyzszenia sprawnosci urzadzenia próbowano vregulowac czestotliwosc pradnicy w ten sposób, ze przy malych' obnptach silnika napedowego jest napedzany' stojan pradnicy w kierunku przeciwnym do wirnika. tJrzedzenie to jest szczególnie korzystne ze wzgledu na du¬ za sprawnosc, wymaga jednak specjalnego roz¬ wiazania konstrukcyjnego, gdyz wytworzona energia elektryczna musi byc odprowadzona z wirujacego generatora za posrednictwem pier¬ scien' slizgowych i musi byc przewidziane od¬ prowadzenie mocy napedowej do stojana za po¬ moca przekladni. Dla mocy i obrotów, dopro¬ wadzonych do stojana pradnicy, obowiazuja te same prawa, które odnosza sie do dodatkowego urzadzenia regulujacego czestotliwosc. Dla wspomnianych urzadzen mozna wyprowadzic zaleznosci miedzy liczba obrotów, liczba par bie¬ gunów i czestotliwoscia z jednej strony, a mo¬ ca, liczba par biegunów i liczba obrotów z dru¬ giej strony. Wynalazek usuwa wyzej wspom¬ niane wady. W urzadzeniu wedlug wynalazku zastosowano pradnice z przelaczanymi bieguna¬ mi oraz wyzej wymienione sposoby regulacji czestotliwosci, np. naped stojana pradnicy lub dodatkowe urzadzenie, sluzace do tego celu (transformator wirujacy lub przemiennik cze¬ stotliwosci).• W przypadku zastosowania w urzadzeniu we¬ dlug wynalazku napedu stojana pradnicy lub transformatora wirujacego, ze wzgledów tech¬ nicznych i ekonomicznych dazy sie do tego, aby moc pobierana przez stojan pradnicy lub trans¬ formator byla jak najmniejsza. Natomiast w przypadku zastosowania przemiennika cze¬ stotliwosci mozliwosc przelaczania biegunów pradnicy ma takie zalety, ze pozwala uniknac okreslonych czestotliwosci, wystepujacyeh-w ca¬ lym zakresie spadku obrotów silnika napedowe¬ go i koniecznych w innych przypadkach zasto¬ sowania okreslonych przekladni czestotliwosci.Ograniczenie liczby przekladni czestotliwosci ma dla urzadzenia wedlug wynalazku powazne znaczenie, wiadomo bowiem, ze dla wszyst¬ kich przemienników czestotliwosci przy okreslonej przekladni wystepuja trudnosci techniczne prostowania i sterowania pradu. Po¬ za wspomnianymi zaletami przemiennik czesto¬ tliwosci daje te korzysc, ze czestotliwosc prad¬ nicy jest niezalezna od czestotliwosci sieci za¬ silajacej urzadzenie. Zaleta ta polega na tym, ze przemiennik czestotliwosci nie wymaga do¬ datkowego zasilania, jak to ma miejsce w in¬ nych urzadzeniach zmieniajacych czestotliwosc.Zatem zastosowanie przemiennika czestotliwo¬ sci upraszcza konstrukcje urzadzenia i stwarza korzystniejsze warunki jego eksploatacji.Na rysunku fig. 1 przedstawia schematycznie urzadzenie wedlug wynalazku, fig. 2—4 oraz fig. 6^8 przedstawiaja wykresy zmiany liczby obrotów stojana pradnicy w funkcji czasu, a fig. 5 przedstawia zestawienie tych wykresów w przypadku róznych rodzajów napedu.Fig. 1 przedstawia silnik napedowy M, który napedza wirnik L pradnicy G z przelaczanymi biegunami. Stojan 5 pradnicy G jest napedzany przez silnik M za posrednictwem regulowanej przekladni R, przy czym liczba obrotów i ich kierunek moga . byc dowolne. Przekladnia R moze byc mechaniczna, hydrauliczna lub elek¬ tryczna, np. w ukladzie Leonarda. Umozliwia ona doprowadzenie do stojana S dowolnego momentu obrotowego przy dowolnych obrotach i kierunku wirowania silnika M.Urzadzenie wedlug wynalazku jest w stanie, dla calego wystepujacego w praktyce zakresu spadku obrotów, oddac pelna okreslona moc i zachowac przy tym stala czestotliwosc i na¬ piecie. Warunek stalego napiecia wyjsciowego bedzie spelniony, jezeli dla poszczególnych liczb biegunów zostana wyregulowane odpowiednie wartosci pradu wzbudzenia. Stala czestotliwosc wyjsciowa urzadzenia• osiaga sie przez odpo¬ wiednie dobranie liczby obrotów stojana S i wirnika L. W zaleznosci od warunków pracy urzadzenia ustala sie jedna lub dwie liczby obrotów silnika napedowego M, przy których urzadzenie moze byc napedzane mozliwie bez dostarczania lub odprowadzania energii ze stoja¬ na S pradnicy trójfazowej G. Natomiast w za¬ leznosci od rodzaju krzywej sprawnosci dla po¬ szczególnych typów regulowanych przekladni R wybiera sie taka, aby w przypadku zastosowa¬ nia w pradnicy G jednej lub dwóch par biegu¬ nów mozna bylo pokryc przy jej pomocy duzy zakres obrotów; ewentualnie stosuje sie wiek¬ sza liczbe par biegunów w celu zastosowania regulowanej przekladni R o prostszej konstruk¬ cji i wiekszej sprawnosci. Wreszcie mozliwe jest równiez, w zaleznosci od konstrukcji przeklad¬ ni R, przystosowanie stojana S pradnicy trój- ( fazowej G do odbioru i odprowadzenia energii.Fig. 2 wyjasnia warunki pracy stojana S w zakresie spadku obrotów silnika napedowe¬ go' M w zalozeniu, ze pradnica G jest zaopatrzo¬ na w dwie pary biegunów. Przyjeto, ze spadek obrotów silnika napedowego M bedzie mial w funkcji czasu przebieg prostoliniowy (mocno wyciagnieta prosta nM). Na lewej rzednej wy¬ kresu odlozono pelne obroty silnika napedowego\ M, na prawej natomiast dla przykladu tylko 50% tej wartosci- \ Obroty silnika napedowego M, przeniesione do stojana S za posrednictwem przekladni R, zgodnie z wyzej podanymi zalozeniami, sa przed¬ stawione za pomoca linii 1, 2, 3, 4. Prosta 1 wy¬ kreslono w zalozeniu, ze pradnica G jest nie- przelaczalna. Prosta 1 wykazuje, ze wraz ze spadkiem obrotów silnika M wzrastaja obroty stojana 5 do wartosci, równej polowie wartosci szczytowej obrotów silnika M, przy czym za do¬ datni kierunek obrotów stojana S przyjeto uwazac odwrotny kierunek wirnika L, a zatem prosta obrotów stojana S przebiega równolegle do prostej obrotów silnika M. Odleglosc mie¬ dzy prostymi jest wzgledna liczba obrotów mie¬ dzy silnikiem M a stojanem S, a wiec jest mia¬ ra czestotliwosci.Linia lamana 2 przedstawia przebieg liczby obrotów stojana 5 w zalozeniu, ze pradnica pra¬ du zmiennego G jest zaopatrzona w przelaczalna liczbe biegunów w stosunku 1 :2, a przeklad¬ nia R umozliwia dowolne przenoszenie obrotów i mocy miedzy stojanem S,a silnikiem napedo¬ wym M. Po opadnieciu obrotów silnika M do wartosci równej 75% wartosci szczytowej zo¬ staje dokonane przelaczenie biegunów i rów¬ noczesnie zostaje zmieniony na przeciwny 'kie¬ runek obrotów stojana S. W prawej polowe wykresu obroty stojana S maleja podobnie do obrotów silnika M. Dla drugiej pary biegunów otrzymuje sie druga charakterystyke obrotów, której odleglosc od charakterystyki n M obrotów-^r silnika M jest okreslona przez stosunek liczby par biegunów po przelaczeniu do liczby par bie¬ gunów przed przelaczeniem.Proste 3 i 4 przedstawiaja charakterystyke urzadzenia wedlug wynalazku w ruchu; w za¬ lozeniu, ze przekladnia R umozliwia doprowa¬ dzenie energii do stojana S (prosta 3) lub tez od¬ prowadzenie energii ze stojana S pradnicy G (prosta. 4). Przelaczanie biegunów w %tycn przy¬ padkach musi naStepowac w krancowych punk¬ tach zakresu spadku obrotów. W wyzej wymie¬ nionych przypadkach zostalo przyjete zalozenie, ze ze wzgledu na duza sprawnosc przekladni musi byc mozliwa praca urzadzenia przy nieru¬ chomym stójanie S dla krancowych wartosci obrotów napedowych. W wielu przypadkach dla najmniejiszej liczbie obrotów silnika M ograni¬ czenie to mozna pominac, gdyz praca urzadzenia w takich warunkach nio^rwa dlugo, a nawet przy nieruchomym stojanie «S urzadzenie posiada dostateczna moc napedowa.Fig. 3 przedstawia charakterystyke obrotów stojana S, pradnicy G z przelaczanymi bieguna¬ mi w stosunku 1 : 2 i przy spadku .obrotów sil¬ nika M w stosunku 100 :50 oraz dla warunków, ze w przypadku krancowych wartosci w zakre¬ sie spadku obrotów silnika M stojan S bedzie sie obracal. Wówczas, jak wykazuje linia lamana 5, punkt przelaczenia lezy w srodku spadku obro¬ tów, przy czym zakres obrotów stojana S, a przez to i przekladnia R, ulegaja zmniejsze¬ niu. Dla porównania z poprzednim przypad¬ kiem zostala naniesiona linia 2 z fig. 2. W przy¬ padku zastosowania pradnicy G, przelaczanej na wiecej niz dwie liczby par biegunów, odpo¬ wiednie stosunki mozna wyprowadzic analo¬ gicznie bez zadnych trudnosci.Fig. 4 przedstawia charakterystyke obrotów stojana S dla pradnicy G o trzech liczbach par biegunów i spadku obrotów silnika M w stosun¬ ku 100 :25 (linia 7). Linie 8 nakreslono w opar¬ ciu o zalozenia, jak w przypadku wykreslania linii 2 na fig. 2. Linia 7 wykazuje, ze w tym przypadku obroty stojana S sa male i istnieja równiez dla krancowych wartosci zakresu spad¬ ku obrotów silnika napedowego M (odpowiednio do linii 5 na fig.3). ^ Fig. 5 przedstawia schematycznie osiem wy¬ kresów zmiany liczby obrotów stojana S dla dwunastu najwazniejszych rodzajów napedu, przy zalozeniu trzech przelaczen biegunów w pradnicy G (P = 3). Dla kazdego przypadku jest podany wzór ha liczbe zakresów pracy A, w zaleznosci od liczby par biegunów P. Jako zakres pracy zostal oznaczony taki obszar, w którym przy wykorzystaniu jednej pary bie¬ gunów, stojan S przyjmuje wszystkie obroty (od zera do maksymalnych), np. miedzy punktami t\ a t2, t2 a t3, tz a t* (fig. 4). W powyzszych roz¬ wazaniach obojetna jest wielkosc spadku obro¬ tów silnika napedowego M i dlatego nie zo¬ stala podana, okresla bowiem tylko bezwzgledna wartosc maksymalnej liczby obrotów stojana S, nie wplywa jednak na wzajemny stosunek tych wielkosci przy róznych rozwiazaniach.Przy ustaleniu zaleznosci miedzy spadkiem obrotów, liczba par biegunów, liczba obrotów stojana i przekladnia nalezy zalozyc, ze w roz¬ patrywanych ukladach warunki graniczne, tzn. kierunek przenoszenia energii i liczba obrotów stojana S, umozliwiaja jednoznaczne optymalne rozwiazanie, ze skoki liczby obrotów stojana S, wystepujace przy wiekszej liczbie przelaczen biegunów, winny byc wszystkie jednakowo du¬ ze, nastepnie ze przy dowolnym kierunku prze¬ noszenia energii za pomoca przekladni R, skoki liczby obrotów stojana S przy przelaczaniu bie-gunów pradnicy G musza lezec symetrycznie da osi czasu i ze rozporzadza sie takimi liczba¬ mi par biegunów, iz'punkty przelaczenia moga byc rozlozone na osi czasu w jednakowych od¬ stepach.Maksymalna liczbe nsmax obrotów stojana S mozna okreslic bezposrednio z fig. 2: nSmax — ( DMmax — n\lmin) ' '"^ przy czym nSm*x — oznacza szczytowa liczbe obroiów stojana nMmax~" szczytowa liczbe obrotów silnika, nMmin — najnizsza liczbe obrotów silnika, A — liczbe zakresów pracy.Z powyzszego wynika, ze maksymalna liczba obrotów stojana S jest wprost proporcjonalna do spadku obrotów silnika napedowego M i od¬ wrotnie proporcjonalna do liczby stosowanych zakresów pracy A. Wartosc maksymalnej liczby obrotów stojana S warunkuja równiez wzgledy konstrukcyjne, przy czym zalezy ona od liczby przelaczen biegunów,, kierunku przenoszenia energii za pomoca przekladni R i mozliwosci pracy urzadzenia przy wirujacym stojanie S w przypadkach krancowych wartosci obrotów silnika napedowego M.Fig. 5 wyjasnia, ze zbyt duze zwiekszenie licz¬ by zakresów pracy A powoduje zwiekszenie kosztów produkcji urzadzenia, spowodowanych wzgledami konstrukcyjnymi i technika stero¬ wania.Fig. 6 przedstawia czesc wykresu obrotów sto¬ jana S w.zmienionej postaci przy zalozeniu pie¬ ciu przelaczen biegunów (6 pir biegunów). Naj¬ wyzej polozona linia nM jest wykresem obro¬ tów silnika M przy spadku ob/otów 100 :33 (do okolo Vs wartosci szczytowej). Charakterystyki obrotów stojana S dla róznych liczb biegunów pradnicy G, oznaczone przez npl do np6, sa po¬ dane w zakresie dodaTnich wartosci obrotów wirnika L i przebiegaja równolegle do prostej obrotów silnika M.Odleglosc charakterystyk obrotów stojana S od prostej obrotów silnika M otrzymuje sie; mnozac czestotliwosc wyjsciowa urzadzenia przez odpowiednia liczbe par biegunów i pewna stala. Natomiast odleglosci charakterystyk obro¬ tów stojana S sa wzgledem siebie w stosunku k.a, a ich odleglosci od charakterystyki silni¬ ka M w stosunku ki. a. Stosunki te musza byc liczbami calkowitymi, gdyz pary biegunów sa liczbami calkowitymi. W zwiazku z tym odle¬ glosci charakterystyk obrotów stojana ,S wzgle¬ dem siebie i wzgledem prostej obrotów silnika mozna przedstawic jako wielokrotnosc war¬ tosci k, ki i pewnej stalej a, przy czym war¬ tosci k i ki sa liczbami calkowitymi.Na fig 6 odstepy te zostaly podane dla przy¬ padku, w którym silnik pracuje przy najwiek¬ szych i najmniejszych obrotach przy nierucho¬ mym stojanie S pradnicy G. W tym przypadku liczba obrotów stojana S pradnicy G z jedna para lub szescioma parami biegunów, odpo¬ wiednio przy najwiekszych i najmniejszych obrotach silnika M, jest równa zeru.Fig. 7 przedstawia te same zaleznosci dla przypadku napedzania stojana S przy najwiek¬ szych obrotach silnika M w zalozeniu 4 par biegunów w pradnicy G.Analogicznie fig. 8 przedstawia przypadek z napedzanym stojanem S przy najmniejszej liczbie obrotów silnika M.Z podanych wyzej zalozen wynika, ze gdy odleglosci miedzy poszczególnymi przelaczenia¬ mi wynosza k. d, wówczas odleglosc najwyzszej i najnizszej charakterystyki obrotów stojana S od punktu zerowego musi wynosic k • -g (fig. 7 i 8). Dla przypadków pracy urzadzenia przy jednym kierunku przekazywania energii za pomoca przekladni R latwo zauwazyc z fig. 5, z# daja sie one wszystkie sprowadzic do wykre¬ sów, przedstawionych na fig. 6.W przypadkach pracy urzadzenia, przedsta¬ wionych na fig. 6, 7 i 8, warunki na liczbe par biegunów daja sie ujac we wzory.Dla przypadku nieruchomego stojana S prad¬ nicy G (fig. 6): (P-l).k.a + k1.a = nMmax , Dla przypadku napedzanego stojana S przy ¦' najwiekszej i najmniejszej liczbie obrotów sil¬ nika M (fig. 7, 8): (P-l).k.a +k.y + k%.a = nMinaXf przy czym P, k, ki sa liczbami calkowitymi, a kj • a=nMmax — nMmin Przy zalozeniu stalej mocy pradnicy G i jed¬ nakowej jej sprawnosci, przy wszystkich licz¬ bach par biegunów, moment obrotowy Mn stoja¬ na S, a wiec dostarczony przez przekladnie R przy pewnej liczbie par biegunów Pnz momen¬ tu obrotowego Mi przy najnizszej liczbie par biegunów Pi (liczba obrotów silnika n Ml — przy nieruchomym stojanie S) wyraza sie wzorem: iMn«^M1 *5_ najwyzszej i najnizszej liczbie obrotów silnika napedowego M stojan S jest nieruchomy W celu okreslenia momentu szczytowego naj¬ prosciej jest wyjsc ze stalosci mocy przy naj¬ wyzszej liczbie obrotów silnika M. Dla przy¬ padku, przedstawionego na fig. 6, a wiec przy nieruchomym stójanie S stosunek mocy Mmin nMmin kJ W przypadku napedzanego stojana S musza byc wziete pod uwage jego obroty przy naj¬ wyzszej i najnizszej liczbie obrotów silnika M.Dla najwyzszej liczby obrotów silnika M sto¬ sunek mocy MB M„ nMmax+k * g nMmiD ki Dla najnizszej liczby obrotów silnika M sto¬ sunek mocy Mm» °Mm»x _ ki + k • (P- 0,5) M-u "n„ • +k--~ k.+0.5k W celu okreslenia wzglednej mocy przekladni regulowanej R moc przekladni NG sprowadza sie do mocy potrzebnej do napedu pradnicy G.Poniewaz.NG=C ,Mmax ' nSmax gdzie NG —jest to moc przekladni i?, Mmax — szczytowy moment (moment stojana S pradnicy G), nSmax —szczytowa liczba obrotów stojana S. oraz Net=c$Mmin * nMmax gdzie Ne — jest to moc pradnicy przy wszystkich obrotach silnika M, Mmin — najmniejszy moment napedowy, nMmax — szczytowa liczba obrotów napedowych wirnika L pradnicy G.Dla wszystkich przypadków, dla których przy Mmax = Mmin JMmai i nMmiD nMmax — nMmin uSmax Zatem moc wzgledem NR przekladni R wy¬ raza sie wzorem: N - N° - 1 /°Mn" - \ R Nei A\nMmin l) Do zakresu pracy A (wchodzacego w sklad wzoru na moc przekladni R) odnosza sie wska¬ zówki, podane na fig. 5 w kolumnie pierwszej, gdzie n5 równa sie zeru przy nmaxi nmln silnika.Dla przypadków podanych w nastepnych ko¬ lumnach ymoc przekladni najlatwiej obliczyc, gdy^ (dla drugiej i trzeciej kolumny) jako nmax przyjmuje sie punkt na charakterystyce obro¬ tów silnika M, odpowiadajacy przejsciu cha¬ rakterystyki ns po raz pierwszy przez zero.Natomiast dla czwartej kolumny nmax wyznacza sie jak poprzednio, a n l^ przyjmuje sie dla przejscia charakterystyki n s po raz ostatni przez zero. •* PL