DE1563715C3 - Anordnung zur Speisung eines Netzes mit Wechselstrom konstanter Spannung und konstanter Frequenz, insbesondere zur Speisung eines Wechselstrom-Bordnetzes auf Fahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen - Google Patents

Description

Abhängigkeit von der Frequenz des Bordnetzes regelbar, wobei die Läuferströme der Wellerigeneratoren unmittelbar oder mittelbar so steuerbar sind, daß sie beim Sinken der Netzfrequenz größer und beim Steigen der Netzfrequenz kleiner werden; zur Aufrechterhaltung der Spannung im Bordnetz und zur Deckung des Blindleistungsbedarfs des Wechselrichters dient eine parallel zum Netz laufende, unabhängige Blindleistungsmaschine.

tiefste Betriebsdrehzahl des Generators darstellt. Es bedeuten 55 den Ständerstrom I₁, 55 den Läuferstrom L₂ und öb~ als geometrische Summe der beiden Ströme den Erregerstrom / μ, der der Netzklemmen-5 spannung um etwa 90° nacheilt. Ist die Maschine mit kleinem Leerlauf-Kurzschlußverhältnis, z. B. mit einem Wert von etwa 0,33, ausgeführt, so beträgt Ιμ etwa 33°/o von I₁. Bezieht man die Werte auf den Läuferstrom I₂ mit dem Wert 1, so erhält I₁ den Bet 096 d I d W 032 Bi Khlß

leistung dem Netz selb'st, so wird der Erregerstrom und damit der Dauerkurzschlußstrom der Generatoren bei Netzkurzschlüssen zu Null. Die im Gleich-

Die beiden Aufgaben der Spannungs- und Fre- io zugswert 0,96 und I μ den Wert 0,32. Bei Kurzschluß quenzhaltung werden also durch getrennte Maschi- würde I μ verschwinden und I₁ von 0,96 auf 1 annen vorgenommen. Die Spannungshaltung des Bord- wachsen, wenn /, mit seinem vollen Wert bestehennetzes erfolgt durch die getrennt laufende Blindlei- bleiben würde. Da aber I₂ der Netzspannung verstungsmaschine, die selbsttätig so viel Blindleistung hältnisgleich ist, wird der Dauerkurzschlußstrom der liefert, daß die Spannung im Netz konstant bleibt. 15 Maschine zu Null. Die Thyristoren werden daher Außerdem liefert sie noch die Steuerblindleistung nur mit dem schnell, abklingenden Stoßkurzschlußfür den Wechselrichter und gibt diesem die Steuer- strom beansprucht,:;der-nach wenigen Halbwellen befehle, der dadurch eigengetaktet ist, was den be- zusammenbricht. Außerdem ist der Stoßkurzschlußsonderen Vorteil mit sich bringt, daß er auf einen strom bei einer Maschine mit kleinem Kurzschlußkonstanten großen Steuerwinkel eingestellt bleiben 20 verhältnis kleiner als bei einer Maschine mit großem, kann, so daß seine Steuerblindleistung den kleinst- Da die Maschine über den Gleichrichter nur Wirkmöglichen Betrag aufweist. Die Frequenz des Bord- leistung abgeben kann, sind Ständerstrom und Stännetzes wird aber nicht durch die Steuerung des Wech- derspannung stets in Phase, und der Polradwinkel selrichters konstant gehalten, sondern durch die Ein- bleibt stets kleiner als 90°, so daß die Maschine nicht wirkung auf die Erregung des mit veränderlicher 25 kippen kann. 7. - -

Drehzahl laufenden Wechselstromgenerators. Die Spannung des Netzes, wird durch die getrennt

Sind die Generatoren mit kleinem Kurzschluß- laufende Blindleistungsmaschine 8 gehalten, die ζ. Β. verhältnis ausgeführt, so ist der von ihnen abgege- in bekannter Weise durch den Gleichrichter 9, den bene Wirkstrom im wesentlichen durch den Erreger- Stromwandler 10, die Drosselspule 11 und den Konstrom gegeben. Er wird auch bei Netzkurzschlüssen 30 densator 12 lastabhängig erregt wird und deren Ernicht wesentlich größer; entnimmt man die Energie^ regereinrichtung so eingestellt ist, daß ihre Spannung

bei jedem Blindstrom, den sie ins Netz liefert, konstant bleibt. Es ist nun nur noch nötig, die Erregung des Generators 2 von der Netzfrequenz her so zu richter-Wechselrichter-Kreis vorhandenen Thyristo- 35 beeinflussen, daß die Erregung beim Abweichen der ren werden daher in idealer Weise gegen unzulässige ' Frequenz von ihrem Sollwert- nach unten verstärkt Überströme geschützt; Stoßlasten und Kurzschlußströme werden von der Blindleistungsmaschine übernommen, bis bei Netzfehlern die Schutzeinrichtungen
ansprechen und den kranken Netzteil abschalten.

Im folgenden sei die Erfindung noch an Hand'
der in den Fig. 1 und 3 bis 5 dargestellten, unterschiedlich ausgebildeten Ausführungsbeispiele näher
erläutert. F i g. 2 zeigt ausgehend vom Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 das Zeigerbild der Ströme für 45 strom des Netzes als auch starke Lasteinbrüche werdie tiefste Betriebsdrehzahl des Generators. den ausschließlich von der Blindleistungsmaschine 8

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der übernommen, die mit einer zusätzlichen Schwung-Brennkraftmotor 1 zum Antrieb der Schraubenwelle masse versehen sein kann. Gibt die Blindleistungseines Schiffes mit dem Generator 2 synchroner Bau- maschine 8 kurzzeitig Wirkleistung an das Netz ab, art gekoppelt, der mit kleinem Kurzschlußverhältnis 50 so sinkt ihre Drehzahl und damit auch die Frequenz ausgeführt ist, so daß sein Ständerstrom im wesent- des Netzes, wodurch aber der Erregerstrom des Geliehen durch den Betrag des Erregerstromes gegeben nerators 2 auf höhere Werte eingeregelt wird, so daß ist. Der Generator 2 wird über den steuerbaren dieser mehr Wirkleistung liefert und die Netzfrequenz Gleichrichter 3 und dem Umspanner 4 aus dem wieder auf ihren Sollwert angehoben wird. Spannung Drehstrom-Bordnetz 5 erregt. Der vom Generator 2 55 und Frequenz werden dadurch in vollkommener mit veränderlicher Frequenz gelieferte Drehstrom Weise und ohne sich gegenseitig zu stören auf ihren wird über den Gleichrichter 6 in Gleichstrom und Sollwerten gehalten.

über den Wechselrchter 7 in Drehstrom konstanter Zum Anfahren kann die Blindleistungsmaschine 8

Frequenz umgeformt. Der Wechselrichter 7 wird unmittelbar auf den Generator 2 geschaltet werden, dabei mit einem fest eingestellten Zündwinkel von 60 der zu diesem Zweck fremderregt oder auch in Neetwa 150° C voll ausgesteuert. Eine Synchronma- benschlußschaltung betrieben werden kann, bis die schine mit kleinem Kurzschlußverhältnis verhält sich Blindleistungsmaschine 8 ihre Nenndrehzahl erreicht im wesentlichen wie ein Stromkreis mit eingeprägtem hat. Er kann dann auf den Gleichrichter 6 und den Strom, d.h. der Ständerstrom ist im wesentlichen Wechselrichter7 umgeschaltet werden. Arbeiten durch den Erregerstrom bestimmt, und die Span- 65 mehrere Generatoren parallel, so kann jeder über nung paßt sich selbsttätig der Bürde, d. h. der Span- einen eigenen Gleichrichter auf einen gemeinsamen nung des Netzes an. Gleichstromzwischenkreis und einen gemeinsamen

In F i g. 2 ist das Zeigerbild der Ströme für die Wechselrichter arbeiten. Man kann aber die Gene-

und beim Überschreiten des. Sollwertes nach oben geschwächt wird. Durch Steuerung des steuerbaren Gleichrichters 3 kann dies in einfacher Weise erreicht 40 werden. Tritt im Netz ein Kurzschluß auf, so wird der Erregerstrom des Generators 2 und damit auch sein Ständerstrom zu Null. Der aus Thyristoren bestehende Wechselrichter 7 ist daher in keiner Weise durch Überstrom gefährdet. Sowohl der Kurzschluß-

ratoren auch wechselstromseitig parallelschalten und auf einen gemeinsamen Gleichrichter arbeiten lassen. Für. den Fall, daß völlige Kontaktlosigkeit verlangt wird, kann man, wie es F ig. 3 zeigt, den Generator 2 über den umlaufenden Gleichrichter 13, den umlaufenden Umspanner 14 bzw. über eine Drehstromerregermaschine und den regelbaren Umspanner 15 erregen. Auch die Blindleistungsmaschine 8 kann über den umlaufenden Gleichrichter 16 und den umlaufenden Umspanner 17 kontaktlos erregt werden.

Arbeiten mehrere Generatoren parallel, so kann ihre Erregung entweder gemeinsam oder auch getrennt geregelt werden. Da die Drehstromgeneratoren mit cos φ = 1 arbeiten und außerdem mit dem kleinstmöglichen Kurzschlußverhältnis ausgeführt sein können, haben sie sehr kleine Abmessungen. Die Blindleistungsmaschine kann ebenfalls sehr klein bemessen sein, weil sie in der Drehzahl völlig unabhängig ist und daher mit der größtmöglichen Drehzahl betrieben werden kann. Außerdem braucht sie nur die Blindleistung für das Netz zu liefern, da die Generatoren ihre eigene Blindleistung decken. Man erhält daher für die ganze Anordnung sehr wirtschaftliche Verhältnisse und außerdem wegen der einfachen Wirkungsweise eine sehr hohe Betriebssicherheit. Die Anordnung kann nicht nur für die üblichen Netzfrequenzen 50 und 60 Hz sondern auch für höhere Frequenzen, wie etwa 400Hz, wie sie bei Flugzeugen üblich sind, ausgeführt sein.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fi g. 1 und 3 muß die ganze Leistung der Generatoren über den . Gleichrichter-Wechselrichter-Kreis auf Netzfrequenz umgeformt werden. Man kann aber als Generator auch eine Asynchronmaschine verwenden, deren Schlupfleistung über einen Gleichrichter-Wechselrichter-Kreis einem Stromkreis mit eingeprägtem Strom zugeführt und auf Netzfrequenz umgeformt wird. Ein derartiges Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 4. Sofern darin die gleichen Teile wie in den Ausführungsbeispielen nach F g. 1 und 3 verwendet sind, sind die gleichen Bezugszeic'hen beibehalten.

Der Brennkraftmotor 1 treibt die Asynchronmaschine 18 als Generator mit veränderlicher Drehzahl an. Die Schlupfleistung des Asynchrongenerators 18 wird über dem Gleichrichter-Wechselrichter-Kreis 6,7

ίο einem ruhenden Konstantstromkreis zugeführt, der aus der großen Drosselspule 19 und dem als steuerbaren Stromwandler arbeitenden Umspanner 15 besteht. Dieser Stromkreis mit eingeprägtem Strom paßt den Läuferstrom des Asynchrongenerators 18 den jeweiligen Verhältnissen an, wobei der Asynchrongenerator 18 sowohl über- als auch untersynchron laufen kann.

Damit die Blindleistung der Drosselspule 19 nicht im Bordnetz auftritt, ist in dem in Fig. 5 dargestell-

ao ten weiteren Ausführungsbeispiel an Stelle der von ^Drosselspule 19 ein sogenannter Boucherot-Kreis (Konstantstromkreis) verwendet, bei dem außer der Drosselspule 19 noch ein Kondensator 20 vorhanden ist. Die geometrische Differenz von Drosselstrom und

as Kondensatorstrom ergibt im Stromwandler einen konstanten Strom, der über die beiden Stromrichterbrücken 6 und 7 dem Läufer des Asynchrongenerators 18 zufließt und der im Betrag durch den vorgeschalteten Umspanner 15 gesteuert werden kann. Es gehört zu den bemerkenswerten Vorteilen einer Stromschaltung mit Gleichstrom-Zwischenkreis, daß der Strom für den Wechsel der Energierichtung im Gleichstromkreis nicht umgekehrt werden muß, weil sich die Spannung selbsttätig der jeweiligen Energierichtung anpaßt. Man benötigt daher nur die halbe Anzahl der Thyristoren, die bei Spannungsschaltungen erforderlich wären.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

1 2 einen umlaufenden Umspanner (14, 17) speisbar Patentansprüche: sind.

1. Anordnung zur Speisung eines Netzes mit
Wechselstrom konstanter Spannung und konstan- 5

ter Frequenz durch Generatoren, die mit verän- Es besteht häufig der,Wunsch, auf Fahrzeugen,

derlicher Drehzahl angetrieben werden (Wellen- Schiffen und Flugzeugen über¹ ein Wechselstromgeneratoren) und über einen Gleichrichter-Wech- Bordnetz konstanter Spannung und konstanter Freselrichterkreis bei Ausführung als Synchrongene- quenz zu verfugen. Da aber die zur Speisung des ratoren ihre ganze Leistung oder bei Ausführung io Netzes dienenden Generatoren von den Hauptanals Asynchrongeneratoren ihre Schlupfleistung triebsmotoren der Fahrzeuge nur mit veränderlicher an das Bordnetz konstanter Frequenz als Wirk- Drehzahl angetrieben werden, ergeben sich Schwieleistung abgeben, insbesondere zur Speisung eines rigkeiten bei der notwendigen Regelung, um die Wechselstrom-Bordnetzes auf Fahrzeugen, Schif- Spannung und die Frequenz des Bordnetzes konstant fen und Flugzeugen durch Wellengeneratoren, die 15 zu halten.

von den Hauptantriebsmotoren des Fahrzeuges Dazu ist es bekannt (AIEE-Transactions, Part. II/

usw. angetrieben werden, dadurch gekenn- 1959, S. 304 bis 310), als Generator eine Asynchronz e i c h η e t, daß diese Wellengeneratoren (2, 18) maschine zu verwenden, die zusammen mit einer in ihrer Wirkleistungsabgabe in Abhängigkeit von synchronen Erregermaschine von den Antriebsmotoder Frequenz des Bordnetzes (5) regelbar sind, 20 ren mit veränderlicher Drehzahl angetrieben wird, wobei die Läuferströme der Wellengeneratoren Durch einen Spannungs- und Frequenzregler wird (2, 18) unmittelbar oder mittelbar so steuerbar die Schlupfleistung der Asynchronmaschine über sind, daß sie beim Sinken der Netzfrequenz grö- einen rotierenden Frequenzwandler so geregelt, daß ßer und beim Steigen der Netzfrequenz kleiner die Frequenz und auch die Spannung des Bordnetzes werden, und daß zur Aufrechterhaltung der Span- 25 bei allen Drehzahlen konstant gehalten wird. Außernung im Bordnetz (5) und zur Deckung des Blind- dem ist bei der bekannten Anordnung noch eine leistungsbedarfs des Wechselrichters (7) eine par- freilaufende Blindleistungsmaschine vorgesehen, welallel zum Netz laufende, unabhängige Blindlei- ehe zur Spannungsunterstützung dient, wenn die Verstungsmaschine (8) dient. braucher im Bordnetz ungleichmäßig verteilte BeIa-

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge- 30 stungsströme hervorrufen. Eine derartige Bordnetzkennzeichnet, daß der Wechselrichter (7) mit anordnung ist sehr aufwendig.

größtmöglichem, gleichbleibenden Zündwinkel Weiterhin ist aus der FR-PS 1280 234 eine Anarbeitet. Ordnung zur Speisung eines Netzes mit Wechselstrom

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, da- konstanter Spannung und konstanter Frequenz bedurch gekennzeichnet, daß die Blindleistungsma- 35 kannt, insbesondere zur Speisung eines Wechselschine (8) über Gleichrichter (9, 16) lastabhängig - strom-Bordnetzes auf Fahrzeugen, bei der die von erregbar ist. · den Hauptantriebsmotoren des Fahrzeuges mit ver-

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge- änderlicher Drehzahl angetriebenen Generatoren kennzeichnet, daß die Wellengeneratoren als über einen Gleichrichter-Wechselrichter-Kreis auf Synchronmaschinen (2) mit kleinem Kurzschluß- 40 das Bordnetz arbeiten. ;Die konstante Frequenz des verhältnis ausgeführt sind. Bordnetzes — unabhängig davon, wie sich die Lei-

5. Anordnung, nach einem der Ansprüche 1 stung ändert— wird dadurch erreicht, daß der Wechbis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen- selrichter durch eine Steuereinrichtung fremdgetaktet generatoren als' Asynchronmaschinen (18) aus- ist. Ein fremdgetakteter Wechselrichter benötigt aber geführt sind, deren Läuferkreise über den Gleich- 45 für seinen einwandfreien Betrieb eine verhältnismäßig richter-Wechselrichter-Kreis (6, 7) auf einen ru- große Blindleistung aus dem Netz, das er speist, henden Konstantstromkreis geschaltet ist, dessen Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu-Strom stellbar ist. gründe, mit einfachsten Mitteln bei mit veränderli-

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch ge- eher Drehzahl laufenden Generatoren eine Regelung kennzeichnet, daß als ruhender Konstantstrom- 50 des Bordnetzes auf konstante Spannung und Frekreis ein Boucherotkreis (19, 20) dient. quenz zu erhalten, wobei die Wellengeneratoren so-

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge- wohl als Synchronmaschine als auch als Asynchronkennzeichnet, daß die Erregung der als Wellen- maschine ausgebildet sein können. Zur Lösung, dieser generatoren dienenden Synchronmaschinen (2) Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Anordnung über Gleichrichter (3, 13) zuführbar ist, die mit 55 zur Speisung eines Netzes mit Wechselstrom konstander Netzspannung speisbar sind. .·..-■ ter Spannung und konstanter Frequenz durch Gene-

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch ge- ratoren, die mit veränderlicher Drehzahl angetrieben kennzeichnet, daß die Gleichrichter (3; 13) steu- werden (Wellengeneratoren) und über einen Gleicherbare Gleichrichter, sind. . richter-Wechselrichterkreis bei Ausführung als Syn-

9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch ge- 60 chrongeneratoren ihre ganze Leistung oder bei Auskennzeichnet, daß die Wechselspannung den führung als Asynchrongeneratoren ihre Schlupflei-Gleichrichtern (13) über steuerbare Umspanner stung an das Bordnetz konstanter Frequenz als Wirk-(15) mit in Reihe geschalteter fester Zusatzspan- leistung abgeben, insbesondere zur Speisung eines nung zuführbar ist. Wechselstrom-Bordnetzes auf Fahrzeugen, Schiffen

10. Anordnung nach Anspruch 3 oder 7, da- 65 und Flugzeugen durch Wellengeneratoren, die von durch gekennzeichnet, daß die Gleichrichter (13, den Hauptantriebsmotoren des Fahrzeuges usw. an-16) auf den Läufern der zugehörigen Synchron- getrieben werden. Gemäß der Erfindung sind diese maschinen (2, 8) untergebracht sind und über Wellengeneratoren in ihrer Wirkleistungsabgabe in