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Dokumentenidentifikation DE602004003643T2 27.09.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001515426
Titel Elektrizitätserzeugungssystem mit fester Frequenz und Verfahren zur Steuerung desselben
Anmelder Airbus France, Toulouse, FR
Erfinder Lando, Jean-Louis, 09700 Saverdun, FR
Vertreter Henkel, Feiler & Hänzel, 80333 München
DE-Aktenzeichen 602004003643
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 09.09.2004
EP-Aktenzeichen 041043530
EP-Offenlegungsdatum 16.03.2005
EP date of grant 13.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.09.2007
IPC-Hauptklasse H02P 9/30(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
GEBIET DER TECHNIK

Die Erfindung bezieht sich auf ein Elektrizitätserzeugungssystem mit feststehender Frequenz und auf ein Verfahren zur Steuerung desselben.

STAND DER TECHNIK

Das Gebiet der Erfindung ist das von Systemen zur Erzeugung von Wechselstrom an Bord von Luftfahrzeugen. Es ist aber auch das der Herstellung elektrischer Energie mittels einer mechanischen Quelle mit variabler Leistung.

Die Flugzeuge sind sehr oft mit Wechselstromgeneratoren ausgestattet, die Wechselstrom mit konstanter Frequenz erzeugen.

Einer der Hauptvorteile des Wechselstroms mit konstanter Frequenz im Vergleich zu Strom mit variabler Frequenz ist seine einfache Anwendbarkeit für die Verbraucher. Hingegen erfordert seine Erzeugung eine kompliziertere Technik. Die Erzielung einer konstanten Frequenz erfordert von den Konstrukteuren, einen Antrieb mit konstanter Geschwindigkeit vorzusehen. Die üblicherweise verwendete konstante Frequenz beträgt 400 Hz.

1 stellt eine solche Wechselstromerzeugung mit feststehender Frequenz dar, wobei:

  • – zwischen dem Triebwerk 8 und dem Bus 9 gelegen sind:

    • ein Antriebsblock 10 mit konstanter Geschwindigkeit,

    • ein Wechselstromgeneratorblock 11,

    • ein Leitungsrelais 12,
  • – sowie eine Regelvorrichtung 13, die mit jedem dieser drei Elemente 10, 11, 12 sowie mit dem Eingang des Leitungsrelais 12 verbunden ist.

Antriebsblock 10 mit konstanter Geschwindigkeit

In 1 ist der Antriebsblock 10 mit konstanter Geschwindigkeit abgesetzt vom Wechselstromgeneratorblock 11 (dargestellt). Die Gesamtheit dieser beiden Elemente bildet nämlich eine Einheit, die allgemein in der Umgebung des unteren Abschnitts des Triebwerks 8, mit dem sie gekoppelt ist, befestigt ist.

Dieser Konstantgeschwindigkeits-Antriebsblock 10, der abgekürzt als CSD ("Constant Speed Drive") bezeichnet wird, ist eine Vorrichtung, deren Eingangswelle mit einer mit der Triebwerkdrehzahl variierend Geschwindigkeit angetrieben wird, und deren Ausgangswelle eine konstante Geschwindigkeit abgibt. Diese Ausgangswelle treibt also den Wechselstromgeneratorblock 11 mit einer konstanten Geschwindigkeit an, und somit mit einer konstanten Frequenz, da f = p N wobei:

F
= Frequenz,
P
= Anzahl von Polpaaren des Wechselstromgenerators 11,
N
= Anzahl der Umdrehungen pro Sekunde des Rotors des Wechselstromgenerators 11.

Allgemein wird ein Variationsbereich der Eingangsgeschwindigkeit festgelegt, innerhalb dem eine konstante Ausgangsgeschwindigkeit erreicht werden kann.

Der Konstantgeschwindigkeits-Antriebsblock 10 umfaßt:

  • – einen Zylinderblock,
  • – ein hydraulisches Differential.

Der Zylinderblock besteht aus einer Pumpe und einem tonnen- bzw. trommelförmigen Motor, die direkt aneinandergrenzend angeordnet sind. Der Motor hat ein feststehendes Plateau, während die Pumpe ein Plateau mit variabler Neigung hat. Die Steuerung der Neigung der Scheibe ermöglicht es, die Geschwindigkeit der Motorwelle zu variieren sowie ihre Drehrichtung zu wählen.

Das hydraulische Differential ist aus zwei Planetenrädern und zwei Satellitenrädern gebildet. Die Eingangswelle trägt die Planetenräder und treibt die den Motor speisende Hydraulikpumpe im Drehantrieb an. Der Motor treibt im Drehantrieb das Satellitenrad zur Geschwindigkeitsregelung an. Das Satellitenrad am Ausgang treibt den Rotor des Wechselstromgenerators an.

Wenn die Geschwindigkeit der Eingangswelle variiert, wird das Plateau mit variabler Neigung der Pumpe derart positioniert, dass es die Geschwindigkeit des Rotors des Wechselstromgenerators anpasst, indem die des Regel-Satellitenrads variiert wird. Wenn die Geschwindigkeit am Eingang ungenügend ist, werden U/min hinzugefügt. Wenn die Geschwindigkeit zu hoch ist, werden U/min gemindert, indem die Drehrichtung des Motors umgekehrt wird. Wenn die Eingangsgeschwindigkeit genau die gewünschte ist, ist das Plateau bzw. die Scheibe in Vertikalposition und das Differential dreht sich nicht mehr.

Wechselstromgeneratorblock 11

Der Wechselstromgenerator umfasst drei miteinander verbundene Vorrichtungen:

  • – einen Hauptgenerator,
  • – eine Erregerspule,
  • – einen Permanentmagnetgenerator (PMG oder "Permanent Magnet Generator").

Der PMG-Generator, die Erregerspule und der Wechselstromgenerator besitzen jeweils ihren eigenen Rotor. Die drei Rotoren sind einstückig mit ein und derselben Welle und werden also mit der gleichen Geschwindigkeit angetrieben.

Der Rotor des PMG-Generators umfasst Permanentmagneten. Sobald dieser Rotor drehangetrieben wird, kann an den Klemmen des Stators elektrische Energie abgenommen werden, ohne irgendeine Erregung zu liefern. Dieser gleichgerichtete elektrische Strom wird über ein Regelgehäuse dem Induktionsstator der Erregerspule zugeführt. Dabei wird an den Klemmen des Rotors der Erregerspule ein Wechselstrom abgenommen, der, von den an der gemeinsamen Antriebswelle befindlichen Dioden (Drehdioden) gleichgerichtet die Erregung des Wechselstromgenerators ermöglicht.

Regelvorrichtung 13

Dieser Spannungsregler ermöglicht das Aufrechterhalten einer Ausgangsspannung mit konstantem Effektivwert.

Der Wechselstromgenerator wird übererregt, wenn die Spannung zu sinken beginnt, oder aber untererregt, wenn die Spannung zu steigen beginnt. Deshalb wird die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators mit einer Bezugsspannung verglichen, die Abweichung wird verstärkt und ein Strom, der dieser proportional ist, gestattet die Modifikation der Erregung und der elektromotorischen Kraft des Wechselstromgenerators.

Verschiedene vorbekannte Systeme ermöglichen die Erzeugung eines Stroms mit konstanter Frequenz. Dieses Systeme weisen zahlreiche Nachteile auf:

  • – Der IDG-Generator ("Integrated Drive Generator") der Firma Hamilton-Sundstrand besteht in der Integration eines dreiphasigen Wechselstromgenerators mit drei Stufen in ein und derselben Ummantelung eines CSD ("Constant Speed Drive"). Der CSD dient dazu, die mechanische Geschwindigkeit für den Antrieb des Wechselstromgenerators zu regeln, um eine feststehende Frequenz von 400 Hz zu erzeugen. Der Effektivwert der Ausgangsspannungen wird auf 115 V geregelt. Dieser Generator weist zahlreiche Nachteile auf: erhöhter Anschaffungspreis, erhöhte Wartungskosten, Qualität des Öls wesentlich, große Masse, geringe Ergiebigkeit, mittelmäßige Zuverlässigkeit, Leistungen abhängig vom Verschleißzustand des CSD-Wärmetauschers mit großer Dimension (Motortreibkraft), nicht umkehrbares System.
  • – Der VSCF-Generator ("Variable Speed Constant Frequency") der Firma Hamilton-Sundstrand besteht in der Assoziierung eines VFG-Generators ("Variable Frequency Generator") und eines statischen elektrischen Energiewandlers vom Typ variable Frequenz/feststehende Frequenz. Dieses System erfordert oft die Schaffung zweier elektrischer Netze: eines mit feststehender Frequenz und eines mit variabler Frequenz, damit vertretbare Massen und Betriebssicherheiten gewahrt bleiben. Dieser Generator weist zahlreiche Nachteile auf: erhöhte Anschaffungskosten, große Masse infolge des Vorhandenseins eines statischen Wandlers und von für 760 Hz dimensionierten Speiseleitungen, mittelmäßige Ergiebigkeit bei feststehender Frequenz, geringe Betriebssicherheit des statischen Wandlers, die umgekehrt proportional zu der Leistung ist, schwache Leistung bei feststehender Frequenz, nicht umkehrbares System.

ABRISS DER ERFINDUNG

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Versorgung mit jeder elektrischen Stromlast in Form von dreiphasigen Spannungen mit einem konstanten Effektivwert und konstanter Frequenz unabhängig von der zwischen zwei GrenzEffektivwerten liegenden Triebwerkdrehzahl, die für ein Luftfahrzeug die Geschwindigkeiten "ground idle speed" und "take-off speed" sind, mit einer besseren Betriebssicherheit als die der Systeme nach dem Stand der Technik.

Aufgabe der Erfindung ist es auch, einen Einsatz als Asynchronmotor zu ermöglichen, um das Starten des Triebwerks, mit dem er gekoppelt ist, auszuführen.

Die Erfindung schlägt ein Elektrizitätserzeugungssystem mit feststehender Frequenz vor, das am Ausgang eines Motors bzw. Triebwerks mit variabler Drehzahl angeordnet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst:

  • – eine Primärstufe, die ein Permanentmagnet-Generator ist, der dem System die Energie liefert, die es unabhängig macht,
  • – eine Sekundärstufe, die ein (e) Erregerspule) ist, welche (r) die Magnetisierung einer Tertiärstufe steuert,
  • – diese Tertiärstufe, die ein Hauptgenerator ist, welcher die Leistungsstufe zur Erzeugung elektrischer Energie ist,

    und dass die Rotoren des Erregers und des Hauptgenerators einstückig mit einer ersten Welle sind, der Stator des Hauptgenerators die Ausgangsspannung liefert, der Rotor des Permanentmagnetgenerators einstückig mit einer zweiten Welle ist, und mindestens eine Ölpumpe des Kühlkreislaufs einstückig bzw. fest verbunden mit einer dritten Welle ist, wobei diese drei Wellen durch eine Eingangswelle, die die Motorwelle ist, über Getriebe angetrieben werden.

Vorteilhafterweise:

  • – wird der Rotor des Permanentmagnetgenerators direkt von der Motorwelle angetrieben (kein CSD), und sein Stator speist ein externes Steuerorgan,
  • – wird der Stator der Erregerspule von dreiphasigen Strömen mit variabler Frequenz versorgt, die von einem Wechselrichter dreiphasigen Stroms des externen Steuerorgans kommt,
  • – ist der Rotor des Hauptgenerators einstückig bzw. fest verbunden mit demjenigen der Erregerspule und wird durch die Motorwelle angetrieben, wobei seine dreiphasigen Rotorwicklungen direkt mit denjenigen der Erregerspule verbunden sind (kein Gleichrichter).

Bei einem Funktionsmodus als Synchrongenerator, bei dem die Eingangswelle mit variabler Drehzahl angetrieben wird, wandelt das System die mechanische Eingangsenergie in elektrische Energie um, um sie in Form von dreiphasigen Spannungen und Strömen dem Stator der Hauptstufe zu liefern, die anschließend in einem Wechselstromnetz verteilt werden.

Bei einem Funktionsmodus mit asynchronem Motor wird der Stator der Hauptstufe von dreiphasigen Spannungen versorgt, und der Stator der Erregerspule wird kurzgeschlossen, wobei die aufgenommene Energie elektrisch ist und die erzeugte Energie mechanisch ist.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Steuerverfahren des Systems im Fall einer Funktionsweise als Synchrongenerator.

In einem ersten Modus, bei dem die Spannung am Stator der Hauptstufe gesteuert wird, umfasst dieses Verfahren zwei Regelschleifen:

  • – eine Erregerstromschleife,
  • – eine Ausgangsspannungsschleife.

In einem zweiten Modus, in dem die Frequenz des Systems gesteuert wird, umfasst dieses Verfahren:

  • – eine Erregerfrequenzschleife,
  • – eine Ausgangsfrequenzschleife.

Der Generator der Erfindung weist die folgenden vorteilhaften Eigenschaften auf:

  • • er umfasst weder ein CSD ("constant speed drive") noch Drehdioden: sein Rotor wird direkt von dem Motor mit variabler Drehzahl angetrieben. Die Rotorwicklungen der Erregerspule und des Hauptgenerators sind direkt miteinander verbunden. Er erzeugt eine feststehende Frequenz.
  • • Der Rotor des Hauptgenerators wird von Dreiphasenströmen mit variabler Frequenz versorgt, die von der Drehzahl des mechanischen Antriebs abhängen: das Rotorfeld des Hauptgenerators ist ein Drehfeld in bezug auf einen am Rotor befindlichen Beobachter.
  • • Die Statorwicklung der Erregerspule wird durch dreiphasige Ströme mit variabler Frequenz versorgt, die von der mechanischen Antriebsdrehzahl abhänge. Das Statorfeld der Erregerspule ist ein Drehfeld in bezug auf einen Beobachter, der sich am Stator befindet.
  • • Die dreiphasigen Ströme mit variabler Frequenz, welche den Stator der Erregerspule speisen, werden von einem dreiphasigen Spannungswechselrichter erzeugt, der sich in dem Steuerorgan befindet (GCU oder "Generator Control Unit").

Daraus ergeben sich die folgenden Vorteile:

  • – Einfachheit und gute Zuverlässigkeit,
  • – geringe Wartungskosten,
  • – gute Leistung,
  • – geringe Masse,
  • – Funktionsweise als Starter bzw. Anlasser möglich.

Das System der Erfindung kann auf folgenden Gebieten eingesetzt werden:

  • – Haupterzeugung, Hilfserzeugung und Noterzeugung bei Luftfahrzeugen,
  • – Erneuerung von bestehenden Luftfahrzeugflotten hinsichtlich eines Gewinns an Betriebssicherheit und eines finanziellen Gewinns,
  • – Konkurrenzfähigkeit auf dem Gebiet feststehender Frequenzen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:

1 einen Wechselstromgenerator nach dem Stand der Technik,

2 ein Elektrizitätserzeugungssystem mit feststehender Frequenz gemäß der Erfindung,

3 die Funktionsweise des Systems der Erfindung,

4 die Funktionsweise des Systems der Erfindung als Synchrongenerator,

5 die Funktionsweise des Systems der Erfindung als Asynchronmotor,

6 und 7 jeweils Darstellungen eines Steuerverfahrens der Spannung und eines Steuerverfahrens der Frequenz des Systems der Erfindung im Fall der Funktionsweise als Synchrongenerator, wie er in 4 dargestellt ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG SPEZIELLER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Das Generatorsystem mit feststehender Frequenz der Erfindung ist ein elektromechanischer Wandler, der das Einspeisen jeglicher elektrischer Energielast in Form von dreiphasigen Spannungen mit konstantem Effektivwert und konstanter Frequenz ausgehend von einer mechanischen Quelle mit variabler Drehzahl ermöglicht.

Die Topologie dieses Systems 20 basiert auf einem dreistufigen System, wie es in 2 dargestellt ist:

  • – einer Primärstufe 30, die als "Permanentmagnetgenerator" (PMG) bezeichnet wird, der elektrische Energie liefert, die dem System unabhängig verleiht,
  • – einer Sekundär-Erregerstufe 21, die als "Erreger" bezeichnet wird, und dazu dient, die Magnetisierung einer Tertiärstufe 24 zu steuern,
  • – dieser Tertiärstufe 24, die als "Hauptgenerator" bezeichnet wird, welche die Leistungsstufe zur Erzeugung elektrischer Energie ist.

Eine mit einem Wärmetauscher 44 verbundene Ölpumpe 34 ermöglicht die Kühlung des Systems.

Ein Getriebezug 37, 38, 39 und 40 gestattet den Drehantrieb des Rotors 25 des Hauptgenerators 24 in einem je nach Anwendung angepassten Verhältnis. Ebenso verhält es sich hinsichtlich der Erregerspule 21, dem Permanentmagnetgenerator 30 sowie der Ölpumpe 34 des Kühlkreislaufs. Das System wird von einer elektronischen "Echtzeit"-Vorrichtung gesteuert, die auf einer Mikroprozessor-Architektur oder einem DSP (digitaler Signalprozessor) beruht.

Dieses Prinzip eines Generators mit drei Stufen ermöglicht es, die Verbindungen von der Art eines Abnehmerrings oder einer Bürste zu vermeiden, und zwar ohne einen Verlust an Betriebssicherheit. Außerdem umfaßt dieses System weder ein CSD ("Constant Speed Drive") noch einen sich drehenden Gleichrichter.

Das System 20 ist so aufgebaut, dass:

  • – die Rotoren 22 und 25 der Erregerspule 21 und des Hauptgenerators 24 einstückig bzw. fest verbunden mit einer ersten Welle 27 sind, wobei der Stator 26 des Hauptgenerators 24 die Ausgangsspannung Vsm liefert,
  • – der Permanentmagnetgenerator 30 mit seinem Rotor 31 einstückig bzw. fest verbunden mit einer zweiten Welle 33 ist,
  • – mindestens eine Ölpumpe des Kühlkreislaufs 34 mit einer dritten Welle 35 einstückig bzw. fest verbunden ist.

Diese drei Wellen 27, 33 und 35 werden von der Eingangswelle 36 angetrieben, die die Motorwelle ist, und zwar über die Getrieberäder 37, 38, 39 und 40.

Ein Wärmetauscher 44 ist am Eingang und am Ausgang mit der Ölpumpe des Kühlkreislaufs 34 verbunden.

Ein Steuerorgan 41, das ein Gleichrichtelement 42 gefolgt von einem dreiphasigen Wechselrichter 43 umfaßt, ist am Eingang mit dem Stator 32 des Permanentmagnetgenerators 30 verbunden, und am Ausgang mit dem Stator 23 der Erregerspule 21.

3 stellt die allgemeine Topologie des Systems der Erfindung dar. Aus Gründen der einfacheren Darstellung sind alle Wicklungen als zweipolig und dreiphasig anzusehen. Das Prinzip bleibt auch in dem allgemeinen Fall von mehrpoligen und/oder mehrphasigen Wicklungen gültig; ebenso kann die Drehrichtung der Eingangswelle im Uhrzeigersinn (CW) oder im Gegenuhrzeigersinn (CCW) erfolgen. Die Rotoren 22 und 25 der Erregerspule 21 und des Hauptgenerators 24 sind einstückig bzw. fest verbunden mit der Hauptwelle 27 und tragen dreiphasige Wicklungen. Diese Wicklungen bzw. Spulen sind direkt untereinander verbunden. Die Hauptwelle 27 und die Eingangswelle 36 greifen ineinander mit einem Geschwindigkeitsverhältnis ein, das der Anwendung angepasst ist. Die Statorwicklung 23 der Erregerspule 21 dient zur Erzeugung des Erregungsfeldes des Systems, und die Statorwicklung 26 des Hauptgenerators 24 ist die Leistungsstufe zur Erzeugung elektrischer Energie.

Folgende Größen sind vorhanden:

fi:
Drehfrequenz der Eingangswelle (36)
fm:
Drehfrequenz der Hauptwelle (27)
fre:
Rotorfrequenz der Erregerspule (22)
fse:
Statorfrequenz der Erregerspule (23)
frm:
Rotorfrequenz des Hauptgenerators (25)
fsm:
Statorfrequenz des Hauptgenerators (26).

Die Eingangswelle 36 wird mit variabler Drehzahl im Uhrzeigersinn (CW) mit der Frequenz fi angetrieben. Infolgedessen dreht sich die Hauptwelle 27 mit der Frequenz fm im Gegenuhrzeigersinn (CCW). Es wird davon ausgegangen, dass die Statorwicklung 23 der Erregerspule 21 von dreiphasigen Strömen gespeist wird, so dass ein magnetisches Drehfeld erzeugt wird (Theorem von Galileo Ferraris). Dieses Feld hat eine momentane Frequenz fse und eine Maximalwertamplitude He, die beide gesteuert sind.

Für einen an der Rotorwicklung 22 der Erregerspule 21 befindlichen Beobachter werden die Frequenzen kombiniert, um dreiphasige elektromotorische Kräfte (Faraday'sches Gesetz) mit einer Maximalwertamplitude Ere entstehen zu lassen, die proportional zu der Maximalwertamplitude He ist und eine Frequenz fre = fm + fse aufweist.

Prinzipiell sind die Rotorwicklungen 22 der Erregerspule 21 elektrisch direkt mit den Rotorwicklungen 25 des Hauptgenerators 24 verbunden. So lassen die dreiphasigen elektromotorischen Kräfte, die am Rotor 25 der Erregerspule 21 verfügbar sind, dreiphasige Ströme entstehen, welche die Rotorwicklungen 25 des Hauptgenerators 24 durchqueren. Die Maximalwertamplitude Irm dieser Ströme ist proportional zur Amplitude Ere. Die Frequenz dieser Ströme frm und die Frequenz der elektromotorischen Kräfte, die diese entstehen lassen, fre sind also gleich: frm = fre.

Für einen am Rotor 25 des Hauptgenerators 24 befindlichen Beobachter ist der Rotor 25 unbeweglich, ist aber der Sitz eines Drehmagnetfeldes mit einer Drehfrequenz frm und einer Amplitude Hm proportional zu Irm.

Für einen am Stator 26 des Hauptgenerators 24 befindlichen Beobachter dreht sich der Rotor 25 mechanisch im Gegenuhrzeigersinn (CCW) mit einer Drehfrequenz fm. Dieser Bewegung überlagert ist ein Magnetfeld, das sich seinerseits in bezug auf den Rotor 25 ebenfalls im Gegenuhrzeigersinn mit einer Frequenz frm dreht. Am Stator 26 ist das sich aus dieser Kombination ergebende Magnetfeld ein Feld, das sich im Gegenuhrzeigersinn mit der Frequenz fsm gleich der Summe der beiden Frequenzen: fsm = fm + frm dreht. Die Statorwicklungen 26 des Hauptgenerators 24 sind also der Sitz dreiphasiger elektromotorischer Kräfte einer Maximalwertamplitude Esm proportional zu Hm und mit einer Frequenz fsm.

Man erhält ein System mit drei Gleichungen: fre = fm + fse frm = fre fsm = fm + frm

Die Lösung dieses Systems ergibt: fsm = 2·fm + fse.

Es wird davon ausgegangen, dass man in der Lage ist, die Drehfrequenz fse des Stator-Drehfeldes der Erregerspule 21 gemäß dem folgenden Gesetz zu erstellen: fse = fref – 2·fm. Die Frequenz fref ist die elektrische Frequenz, die man erhalten und konstant halten wird.

Daraus ergibt sich: fsm = 2·fm + fse = 2·fm + (fref – 2·fm) → fsm = fref

Mit einem solchen Erregungsgesetz ist das System der Erfindung in der Lage, dreiphasige elektromotorische Kräfte mit einem Effektivwert Esm mit konstanter Frequenz fref zu erzeugen, und zwar unabhängig von der Antriebsdrehzahl fm. Die Frequenzabweichung wird von einer ausgeklügelten Wahl und einer Echtzeitregelung der Frequenz des Erregerfeldes fse kompensiert. Die Erregerspule 21 spielt eine doppelte Rolle: Die Erregung (Regelung von Esm), und die Frequenzkompensation (Regelung von fse, damit fsm = frf) ist. Außerdem ist die am Stator 23 der Erregerspule 21 notwendige Leistung im Vergleich zu derjenigen vernachlässigbar, welche die Leistungsstufe (Hauptgenerator 21) liefert, die von der mechanischen Eingangsstufe aus umgewandelt wurde.

Funktionsweisen

Da das System der Erfindung keinerlei unidirektionales Element wegen seines Aufbaus aufweist (keine Dioden), ist es natürlich umkehrbar. Es bestehen also zwei Funktionsmodi, nämlich als Motor und als Generator:

  • – Wenn die mechanische Welle 27 drehangetrieben wird und das System angeregt wird, ist die aufgenommene Energie mechanisch und die erzeugte Energie elektrisch. Drei Spannungen treten am Stator 26 der Hauptstufe auf, deren Frequenz gleich derjenigen des Feldes ist, das sie entstehen lässt. Wenn elektrische Ladungen vorhanden sind, werden drei dreiphasige Ströme durch den Stator 26 der Hauptstufe 24 geliefert: es handelt sich um eine Funktionsweise als Synchrongenerator (oder Wechselstromgenerator) wie in 4 dargestellt ist.
  • – Wenn der Stator 26 der Hauptstufe 24 von dreiphasigen Spannungen gespeist wird und der Stator 23 der Erregerspule 21 kurzgeschlossen wird, ist die aufgenommene Energie elektrisch und die erzeugte Energie mechanisch, wobei sich der Rotor 22 spontan in Drehung versetzt. Die Drehfrequenz der mechanischen Welle 27 ist immer kleiner oder gleich derjenigen des Statorfeldes: es handelt sich um eine Funktionsweise als Asynchronmotor, wie in 5 dargestellt ist.

Die Steuerung des Systems der Erfindung ist dank Skalargleichungen möglich, da die Frequenz der störenden Modi gegenüber denjenigen der anderen Modi schwach ist. Es reicht aus, Korrekturen am System an gemittelten Effektivwerten der Größen vorzunehmen.

Bei einer Funktionsweise von der Art eines Synchrongenerators sind die (nicht vorhersehbaren) Störungen die Frequenz fi der Eingangswelle 36 und der Laststrom Ism des Generators 24. Die zu regelnden Größen sind der Effektivwert der Spannung Vsm und die Frequenz fsm der Leistungsstufe des Systems der Erfindung. Die Steuergrößen sind der Maximalwert Effektivwert des Erregerstroms Ise und seine Frequenz fse. Bei einer solchen Vorrichtung sind die Störungen "langsam" hinsichtlich der zu regelnden Größen. Bei einer Luftfahrtanwendung ist nämlich die mechanische Trägheit des Strahltriebwerks groß und die mechanische Frequenz fi der Eingangswelle 36 variiert langsam in bezug auf die anderen Größen. Andererseits bleiben wegen der induktiven Auswirkungen des elektrischen Netzes die Variationen der Ladeströme "langsam".

Funktionsweise als Synchrongenerator

Bei einer Funktionsweise als Synchrongenerator, wie er in 4 dargestellt ist, ist die Richtung des Energietransports mittels Pfeilen 50 bis 55 angegeben. Die Eingangswelle 36 wird mit variabler Drehzahl durch eine mechanische Energiequelle (Zusatzgetriebegehäuse des Strahltriebwerks) angetrieben. Diese mechanische Energie wird von dem System der Erfindung in elektrische Energie umgewandelt, und wird in Form von dreiphasigen Spannungen und Strömen dem Stator 26 der Hauptstufe 24 geliefert und anschließend in dem Wechselstromnetz verteilt (3 × 115 V-AC/400 Hz). Die Steuerung des Effektivwerts und der Frequenz dieser Spannungen wird durch eine Einwirkung auf den Erregerstrom Ise erhalten. Der Stator 23 der Erregerspule 21 wird von einem dreiphasigen Wechselrichter 43 gespeist, der eine Echtzeitsteuerung der Maximalwertamplitude des Erregerstroms Ise sowie seiner momentanen Frequenz fse ermöglicht. Die zur Versorgung der gesamten elektronischen Steuervorrichtungen einschließlich der Primärspannungsquelle E des Wechselrichters 43 dienenden Energiequellen werden auf autonome Weise von einem PMG-Generator 30 und von Gleichrichtervorrichtungen 42 auf der Ebene des Steuerrechners 41 geliefert.

6 stellt einen Blockschema einer geschlossenen Schleife eines Steuerverfahrens der Spannung Vsm des zu steuernden Systems dar, das in Wirklichkeit aus zwei Untersystemen besteht: dem elektrischen Generator 20 und dem dreiphasigen Wechselrichter 43, der diesen speist.

Für das Untersystem "Generator" 20 ist die zu steuernde Ausgangsgröße die Spannung Vsm am Stator 26 der Hauptstufe 24, während die Steuergröße am Eingang der MaximalwertEffektivwert Ise des Stroms am Stator 23 der Erregerspule 21 ist. Zwei weitere Größen treten bei diesem Untersystem 20 auf: die Frequenz fi der mechanischen Drehung der Eingangswelle 36 und der Ladestrom Ism des Generators 24. Diese beiden letzteren Größen können gemessen werden, können aber nicht gesteuert werden: es handelt sich um Störungen.

Für das Untersystem "Wechselrichter" 43 ist die zu steuernde Ausgangsgröße der Erregerstrom Ise am Eingang der Erregerspule 21, während die Steuergröße am Eingang das zyklische Verhältnis &agr; des Wechselrichters 43 ist (beispielsweise 0 ≤ &agr; ≤ + 1). Die Störung dieses Untersystems ist die Speisespannung E des Wechselrichters 43, die, von der variablen Frequenz durch die PMG-Stufe 30 erzeugt, von der Antriebsdrehzahl abhängt und folglich nicht gesteuert werden kann.

Das Steuerverfahren der Spannung Vsm wird durch zwei Regelschleifen gebildet: eine Schleife "Erregerstrom Ise" und eine Schleife "Ausgangsstrom Vsm". Hinsichtlich der Schleife "Ise" wird das zyklische Verhältnis &agr; anhand der momentanen Differenz &egr;i zwischen dem Bezugs-Erregerstrom IseREF und dem von einem Messfühler gemessenen Erregerstrom "Ise" berechnet. In dieser Schleife sind die Rechenparameter die Eingangsimpedanz Ze des Stators 23 der Erregerspule 21 sowie die Speisespannung E des Wechselrichters 43.

Was die Schleife "Vsm" betrifft, so wird der Bezugsstrom IseREF des Wechselrichters 43 anhand der momentanen Differenz &egr;v zwischen der Bezugsspannung VsmREF (beispielsweise 115 V) und der mittels eines Messfühlers gemessenen reellen Ausgangsspannung "Vsm" berechnet. Die Leistungsgrößen des Verfahrens werden mittels eines Rv-Blocks (Korrekturnetz) angepasst.

Dieses Verfahren ermöglicht es, eine Ausgangsspannung Vsm zu erhalten, die gleich der Bezugsspannung VsmREF gehalten wird, und zwar unabhängig von dem Zustand externer Störungen fi und Ism.

Die 7 stellt ein Blockschema einer geschlossenen Schleife (BF) eines Steuerverfahrens der Frequenz fsm des zu steuernden Systems dar. Wie vorher wird das zu steuernde System von zwei Untersystemen, dem "Generator" 20 und dem "Wechselrichter" 43 gebildet.

Für das Untersystem "Generator" 20 ist die zu steuernde Ausgangsgröße die Frequenz fsm am Stator 26 der Hauptstufe 24, während die Steuergröße am Eingang die Frequenz fse des Stroms am Stator 23 der Erregerstufe 21 ist. Die Störung dieses Untersystem 20 ist die mechanische Drehfrequenz fi der Eingangswelle 36.

Für das Untersystem "Wechselrichter" 43 ist die zu steuernde Ausgangsgröße die Frequenz fse des Erregerstroms am Eingang der Erregerspule 21, während die Steuergröße am Eingang das Modulationsverhältnis &bgr; des Wechselrichters 43 ist (beispielsweise –0,25 ≤ &bgr; ≤ + 1,25). Dieser Parameter &bgr; ist gleich dem Verhältnis der momentanen Erregerfrequenz fse zur Modulationsfrequenz f&mgr; (f&mgr; = fse(ni = idle)).

Das Steuerverfahren der Frequenz fsm wird aus zwei Regelschleifen gebildet: einer Schleife "Erregerfrequenz: fse" und einer doppelten Schleife "Ausgangsfrequenz: fsm".

Hinsichtlich der Schleife "fse" wird das Modulationsverhältnis &bgr; anhand der momentanen Differenz &egr;fse zwischen der Bezugs-Erregerfrequnez fseREF und der Frequenz des Erregerstroms <fse> berechnet, und zwar anhand der Echtzeitmessung von Ise (Spannungssteuerverfahren). In dieser Schleife ist der Rechenparameter die Modulationsfrequenz f&mgr;.

Hinsichtlich der Schleife "fsm" wird die Bezugsfrequenz fseREF des Wechselrichters anhand der momentanen Differenz &egr;fsm zwischen der Bezugsfrequenz fseREF (beispielsweise 400 Hz), dem doppelten 2 × <fm> der augenblicklichen mechanischen Drehfrequenz des Rotors (gemessen anhand von durch die PMG-Stufe 30 gelieferten Spannungen und des Getriebeverhältnisses KGR), und schließlich der realen Ausgangsfrequenz <fsm> des Generators 24, berechnet anhand der Echtzeitmessung von Vsm (Spannungssteuerverfahren). Die Leistungsgrößen des Systems werden mittels des RF-Blocks (Korrekturnetz) angepasst.

Dieses Frequenzsteuerverfahren ermöglicht den Erhalt einer Ausgangsfrequenz fsm, die gleich der Bezugsfrequenz fsmREF unabhängig von dem Zustand der externen Störung fi gehalten wird.

Funktionsweise als Asynchronmotor

Bei einer Funktionsweise als Asynchronmotor, wie sie in 5 dargestellt ist, ist die Transportrichtung der Energie mittels Pfeilen 60 bis 66 angegeben. Sie ist im Vergleich zu einer Funktionsweise als Generator umgekehrt. Der Stator 26 der Hauptstufe 24 wird von einem dreiphasigen Spannungssystem gespeist, das von einer elektrischen Energiequelle außerhalb der Vorrichtung kommt (3 × 115 V-AC/400 Hz : Parkgruppe oder APU-Generator). Ein Teil der so in das System 20 eingebrachten elektrischen Energie wird am Stator 23 der Erregerspule 21 in Form von dreiphasigen Strömen abgezogen. Diese Energie kann entweder in Form eines Joule'schen Effekts abgeleitet werden (triviale Lösung), oder aber umgewandelt und an einer umkehrbaren Elektrizitätsquelle SE wieder eingebracht werden (beispielsweise: Gleichstromnetz 28 V-DC), und zwar auf gesteuerte Weise mittels eines statischen Stromwandlers geringer Leistung. Der Rest der Energie, d.h. der größte Teil, wird in mechanischer Form durch das in Drehung versetzen der Eingangswelle 36 umgewandelt. In diesem Fall einer Rückgewinnung in einem Gleichstromnetz ermöglicht die Steuerung des zyklischen Verhältnisses &ggr; des Stromteilers (hacheur) 43' die Bewältigung des Anodenstroms Ism an der externen Energiequelle während der Startsequenz.

Anwendungsbeispiele des Systems der Erfindung

Das System der Erfindung kann insbesondere bei einem Luftfahrzeug als Hauptgenerator, Hilfsgenerator und/oder als Notgenerator eingesetzt werden.

Beispielsweise kann das System der Erfindung an/in dem Zusatzgerätegehäuse eines Turbogebläses angebracht sein, dessen Drehzahl an der Eingangswelle des Generators von 4000 U/min (Triebwerkleerlauf am Boden, fi = 75 Hz) bis 9000 U/min (Maximalwertfrequenz beim Abheben, fi = 150 Hz) variierten. Durch ein Getriebeverhältnis von 1,333 erhält man eine mechanische Frequenz am Rotor 25 des Systems von beispielsweise 100 Hz ≤ fm ≤ 200 Hz bei Normalbetrieb.

Wenn man Spannungen mit einer Frequenz von fsm = 400 Hz erzeugen will, muß das Steuergesetz der Erregung wie folgt sein:

  • – Bei Triebwerkleerlauf (fm = 100 Hz) : fe = 200 Hz
  • – beim Abheben (fm = 200 Hz) : fe = 0 Hz
  • – bei einer gegebenen Drehzahl zwischen 4500 und 9000 U/min (fm = 400 &psgr; 0,25 ≤ &psgr; 0,50) : fe = 400 (1–2 &psgr;).

Dieses Erregungsgesetz ermöglicht die Erzeugung einer Frequenz von 400 Hz, die im Intervall von 4500 bis 9000 U/min konstant ist.

Hauptgenerator

Wenn es als Hauptgenerator verwendet wird, ist das System der Erfindung mit dem Zusatzgerätegehäuse gekoppelt und wird mechanisch vom Triebwerk angetrieben. Bei normaler Funktionsweise verhält sich das System der Erfindung wie ein Synchrongenerator (dreiphasiger Wechselstromgenerator).

Wenn aus irgendeinem Grund die Antriebsdrehzahl die Schwelle von 9000 U/min ("engine over-speed") überschreiten sollte, bleibt das System der Erfindung steuerbar, unter der Bedingung, dass die Drehrichtung des Erregungsfeldes (fse < 0) umgekehrt werden kann, um das Feld Hm im Verhältnis zur Frequenz des Rotors 25 zu verlangsamen.

Da das System der Erfindung wegen seiner Konfiguration (kein unidirektionales Element) umkehrbar ist, kann es als Elektromotor eingesetzt werden, um das Triebwerk des Luftfahrzeugs zu starten. Um eine Funktionsweise als Asynchronmotor zu erhalten, muß der Stator 23 der Erregerspule 21 auf gesteuerte Weise kurzgeschlossen sein bzw. werden, oder man muß in das Elektrizitätsnetz auf gesteuerte Weise Energie mittels eines statischen Wandlers transferieren. Andererseits muß der Stator 26 des Hauptgenerators 24 von dem Wechselstromnetz dreiphasig gespeist werden. Die Richtung der Energieübertragung wird umgekehrt.

Notgenerator

Wenn das System der Erfindung als Notgenerator verwendet wird, wird es mit einer Windkrafteinrichtung gekoppelt (einem Flügel mit variabler Teilung). Bei einem Ausfall der Hauptgeneratoren tritt diese Einheit außerhalb des Luftfahrzeugs in Aktion und wird durch die Geschwindigkeit der Luft drehangetrieben. In diesem Augenblick stellt das System der Erfindung die Verfügbarkeit der Hauptsysteme des Luftfahrzeugs sicher.

Hilfsgenerator

Wenn das System der Erfindung als Hilfsgenerator verwendet wird, kann es zur Versorgung des Luftfahrzeugs am Boden bei abgeschalteten Triebwerken eingesetzt werden. Es kann auch zum Starten des APU-Generators ("Auxiliary Power Unit") bei einer Funktionsweise als Triebwerk verwendet werden.


Anspruch[de]
Elektrizitätserzeugungssystem mit feststehender Frequenz, das am Ausgang eines Motors mit variabler Drehzahl angeordnet werden kann, umfassend:

– eine Primärstufe (30), die ein Permanentmagnet-Generator ist, der dem System die Energie liefert, die es unabhängig macht,

– eine Sekundärstufe (21), die ein Erreger ist, welcher die Magnetisierung einer Tertiärstufe steuert,

– diese Tertiärstufe (24), die ein Hauptgenerator ist, welcher die Leistungsstufe zur Erzeugung elektrischer Energie ist,

und wobei die Rotoren (22 und 25) der Sekundärstufe (21) und der Tertiärstufe (24) mit einer ersten Welle (27) fest verbunden bzw. einstückig sind, der Stator (26) der Tertiärstufe (24) die Ausgangsspannung (Vsm) liefert, der Rotor (31) der Primärstufe (30) mit einer zweiten Welle (33) fest verbunden bzw. einstückig ist,

dadurch gekennzeichnet, dass es (das System) mindestens

eine Ölpumpe des Kühlkreislaufs (34) umfaßt, die mit einer dritten Welle (35) fest verbunden bzw. einstückig ist, und dass diese drei Wellen (27,33 und 35) durch die Eingangswelle (36), die die Motorwelle ist, über Getriebe (37, 38, 39 und 40) angetrieben sind bzw. werden.
System nach Anspruch 1, wobei der Rotor (31) des Permanentmagnet-Generators (30) von der Motorwelle (36) angetrieben wird, und sein Stator (32) ein externes Steuerelement (41) mit Energie versorgt. System nach Anspruch 2, wobei der Stator (23) des Erregerelements (21) von dreiphasigen Strömen mit variabler Frequenz gespeist wird, die von einem Wellenbildungselement dreiphasigen Stroms (43) des externen Steuerelements (41) kommen. System nach Anspruch 3, wobei der Rotor (25) des Hauptgenerators (24) mit demjenigen (22) des Erregerelements (21) fest verbunden bzw. einstückig ist, und von der Welle des Motors (36) angetrieben wird, wobei seine dreiphasigen Rotorwicklungen mit denjenigen des Erregerelements verbunden sind. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, das eine Eingangswelle (36) umfaßt, welche mit variabler Drehzahl angetrieben wird und die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt, um diese in Form von Spannungen und dreiphasigen Strömen dem Stator (26) der Hauptstufe (24) bereitzustellen, die anschließend über ein Wechselspannungsnetz übertragen werden. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Stator (26) der Hauptstufe (24) mit dreiphasigen Spannungen gespeist wird und der Stator (23) des Erregerelements (21) kurzgeschlossen ist, wobei die absorbierte Energie elektrisch ist und die erzeugte Energie mechanisch ist. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend einen statischen Wandler, der die gesteuerte Übertragung der Energie in dem elektrischen Netz ermöglicht. Verfahren zur Steuerung des Systems nach Anspruch 5, bei dem die Spannung (Vsm) am Stator der Hauptstufe (24) gesteuert wird, und das zwei Regelschleifen umfaßt:

– eine Erregerstromschleife,

– eine Ausgangsspannungsschleife.
Verfahren zur Steuerung des Systems nach Anspruch 5, bei dem die Frequenz des Systems gesteuert wird, und das umfaßt:

– eine Erregerfrequenzschleife,

– eine Ausgangsfrequenzschleife.
Verwendung des Systems der Erfindung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 bei einem Luftfahrzeug als elektrischer Generator und/oder als elektrischer Motor.






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