Physikalische Grundlagen zur Betrachtung der Funktionalität des resonanten Synchrongenerators QEG Revision 1c
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- Gisela Diefenbach
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1 Physikalische Grundlagen zur Betrachtung der Funktionalität des resonanten Synchrongenerators QEG Revision 1c Alex-L Hinweis: Diese Beschreibung ist für Ingenieure gedacht, welche mit dem Induktionsgesetz vertraut sind. Sie ist aus eigener Recherche ohne Zusammenarbeit mit dem Erfinder erstellt worden. Die Überlegungen sind theoretischer Natur, ohne dass diese durch Messungen am QEG verifiziert wurden. Dieses Dokument soll bei der Erklärung elektrischer Effekte hilfreich sein. Insbesondere können unerwartete Messergebnisse mit der Theorie verglichen werden, um auf dieser Weise mögliche Abweichungen vom QEG gegenüber dem aktuellen Stand der Technik besser erkennen und einzuordnen zu können. Zunächst wird auf die Orientierung des mag. Flusses und der daraus resultierenden Induktionsspannung eingegangen. Dabei wird der Kondensator ignoriert und der Anker als bereits magnetisiert angesehen. Anschließend wird mittels Superposition die Motorinduktion mit dem Resonanzkreis gekoppelt und die Auswirkungen auf die Spannung betrachtet. Es wird ein waager Versuch unternommen, Kondensatorstrom und Drehmoment zu betrachten. Noch unsicherer sind die Betrachtungen der Ausgangsspannung und Abgabeleistung. Wirkungsgradbetrachtungen können nicht gemacht werden. Es finden sich in dieser Beschreibung keine Hinweise darauf, ob die entnehmbare elektrische Leistung eben auch höher als die an der Welle applizierte Leistung sein könnte. Beschrieben wird der Rotor mit dem Resonanzkreis. Zusätzliche Elemente wie z.b. der Antriebsmotor mit seiner Versorgung finden keine Betrachtung.
2 Rotorposition 1: Definition (von mir zur Erklärung festgesetzt): Eine Spule, dessen Wicklungskennzeichnung (Punkt) im Uhrzeigersinn als erster Anschluss kommt, ist rechtsgewickelt. Kommt zuerst der Anschluss ohne Punkt, ist die Spule linksherum gewickelt und induziert entgegengesetzte Spannung. Auch wenn es im Design keine linksgewickelten Spulen gibt, so kennzeichnet der Punkt den Wicklungsanfang und zur korrekten Darstellung sind die Anschlüsse der Spule als vertauscht anzusehen, was den gleichen Effekt bringt. Induktionsgesetz: Führt der mag. Fluss durch eine rechtsgewickelte Spule und steigt dabei an, dann ist jenes Spulenende, auf welche der Fluss trifft, positiv und das andere negativ polarisiert. Fällt der Fluss, dann dreht sich die Polarität um Bleibt der Fluss gleich, wird keine Spannung induziert Ist die Spule linksgewickelt, dreht sich die Polarität ebenfalls um. Betrachtung der Spule L2 bei Rotorposition 1: In dem Moment, als der Anker an L2 vorbei gezogen ist, ist der Fluss gestiegen, so dass L2A positiv und L2B negativ polarisiert ist. Bei der Position A ist die Spannung vermutlich wieder auf 0, da es keine Flussänderung mehr gibt. L4 ist linksgewickelt und besitzt demnach die umgekehrte Spannung (negativ beim Eintrittsort der Feldlinien)
3 Rotorposition 2: Der Rotor hat sich um 90 weiter bewegt und der mag. Fluss ist in L2 wieder dabei, zusammen zu brechen. Genau zur Position 2 ist die Spannung an L2 vermutlich noch 0, steigt aber aufgrund des Feldzusammenbruchs kurz darauf ins negative an. Im Zeitraum zwischen Pos. 1 und 2 hat sich am Fluss in L2 nicht viel getan es gibt leichte Flussänderungen, je nach dem, ob Anker und Noppe gegenüber liegen oder nicht. Die daraus resultierenden Spannungsänderungen werden jedoch nicht betrachtet. L4 verhält sich analog und wird nicht weiter beschrieben Die Induktionsspannung beider Spulen addiert sich stets.
4 Rotorposition 3: Der Rotor ist über L2 gestrichen und die Feldrichtung hat sich gedreht. Bis zur Rotorpos. 3 hin ist der Fluss stark gestiegen und es hat einen hohen negativen Spannungsimpuls an L2A gegeben. Es ist gut vorstellbar, dass ich dieser Spannungsimpuls mit dem in gleicher Richtung polarisierten Impuls auf Rotorpos. 2 zu einem Impuls vereint, muss aber nicht sein.
5 Rotorposition 4: Der Fluss in L2 bricht wieder ein. Nach Rotorpos. 4 kommt es deshalb zu einer positiven Induktion an L2A. Auch dieser Impuls könnte (muss aber nicht) sich mit dem pos. Impuls aus Rotorpos. 1 vereinen.
6 Fluss unterhalb von L2 und Induktionsspannung an L2 betrachtet ohne C1 Gut zu erkennen ist, wie sich die Induktionsspannungen in Rotorpos. 2-3 und 4-1 leicht zu einem Impuls vereinen können.
7 Überlegungen zum Resonanzkreis mit L2, L4 und C1 Ist die Drehzahl mit der Resonanzfrequenz von L2 und L4 abgestimmt, dann wird sich auch ohne Motorinduktion eine abklingend oszillierende Spannung an L2 und L4 bilden. Das Spannungsmaxima wäre in der Mitte zwischen RP2-3 und RP4-1 und würde von sich aus die Spannung und Flußdichte auch ohne dem rotierenden Rotor aufrecht erhalten. Einzig die magnetischen und elektrischen Verluste müssen ausgeglichen werden. Beim Einschalten vom Generator besitzt der Anker immer eine minimale Restmagnetisierung. Diese reicht aus, eine sehr kleine Spannung in L2 und L4 zu induzieren. Mit jeder halben Umdrehung wird erneut in die Spulen induziert, was zu einen Spannungsanstieg führt, wenn die Induktionsspannung höher ist als die Verluste der Resonanz. Zur Funktion des Generators ist also eine hohe Resonanzgüte und eine höhere Restmagnetisierung im Anker erforderlich. Um so höher die Spannung ansteigt, um so mehr Energie wird zum Ausgleichen der Verluste benötigt. Diese werden aber auch zugeführt, da zwar ein Wechselfluss im Stator fließt, aber der Rotor im Wesentlichen von einem statischem magnetischen Fluss durchdrungen wird, welcher sich immer weiter erhöht. Möglicher Weise geht dies so lange, bis der Rotor in die Sättigung gerät. Wie in den Diagrammen zu sehen, trägt der Rotor den doppelten Fluss vom Stator, ohne aber dicker ausgelegt zu sein. Deshalb sättigt dieser vermutlich zuerst. Im Moment der Sättigung steigt der Strom im Resonanzkreis stark an, bis die Verluste die durch die Rotation eingebrachte Energie aufgebraucht haben. Ohne Last sind die Eigenverluste vom Generator aufgrund der hohen Flussdichte bis hin zur Sättigung vermutlich sehr hoch. Eine zu große Last dämpft die Resonanz, da die Spulen L1 und L3 je nach Rotorstellung mit den resonanten Spulen L2 und L4 gekoppelt sind. Im Extremfall gerät der Generator mit zu viel Last gar nicht in Resonanz.
8 Fluss, Induktion und Drehmoment mit Resonanzkreis Um das Drehmoment im Rotor zu bestimmen, sollte erst die Flussdichte im Stator, die Induktionsspannung und der Spulenstrom in Resonanz und die Flussdichte im Rotor betrachtet werden.
9 Statorfluss bei L2 (BL2): Bedingt durch den Resonanzkreis ist der Statorfluss in erster Linie durch dem Spulenstrom bestimmt. Der Rotor ist schließlich nur weichmagnetisch und kann nur wenig Beitrag liefern. Der Fluss ist also im wesentlichen Sinusförmig. Nur die Spitzen sind wegen der Sättigung abgeflacht. Spuleninduktion (UL2): Die Induktionsspannung ist eine Ableitung aus dem Statorfluss (==> Induktionsgesetz) und ist deshalb nicht, wie bei einem Resonanzkreis gewohnt, sinusförmig. Aufgrund des flachen Scheitels vom Statorfluss hat die Induktionsspannung beim Nulldurchgang eine Abflachung. Spulenstrom (IL2): Der Spulenstrom bildet den wesentlichen Beitrag zum Statorfluss und ist deshalb phasengleich. Ausgerechnet zum Maximum vom Statorfluss ist der Rotor jedoch in einer Position zwischen den Polen. Dies führt zu einem starken Stromanstieg, da die Feldlinien zwischen der Rotorpos. 1-2 bzw. 3-4 nun einen großen Luftspalt überwinden müssen (==> Durchflutungsgesetz). Ebenso ist ein Stromanstieg nahe des Maximas der Flussdichte aufgrund der Sättigung zu erwarten. Rotorfluss (BR): Der Rotorfluss ist im Wesentlichen ein Gleichfluss, da der Rotor mit dem Feld mit rotiert. Zwischen der Rotorpos. (RP) 2-3, 4-1 verbleibt einzig eine Restmagnetisierung im Rotor, da der Fluss im Stator Null ist und ohnehin senkrecht zum Rotor steht. Der Stator-Fluss hilft dem Fluss im Rotor also nicht, stört aber auch nicht. Kurz vor RP1 und 3 wird der Rotor zu den Statorpolen hin bewegt und magnetisiert sich auf. Nach der RP2 und 4 fällt der Fluss wieder ab. Bei hohen Drehzahlen helfen Wirbelstromeffekte, die Hysterese zu vergrößern und verhindern ein zu weites Abfallen vom Fluss im Rotor. Zwischen der RP1-2 und 3-4 kommt es nur zu einen leichten Abfall vom Fluss, da der Rotor jetzt nicht mehr direkten Kontakt zu den Polen hat, aufgrund der hohen Flußdichte im Stator (Strom- Maximum) jedoch noch erheblich mag. Feld abbekommt. Kraftwirkung auf dem Rotor (F): Die Kraftwirkungen sind sehr schwer einzuschätzen und in dieser Abhandlung nur spekulativ zu betrachten. Definition: Positive Kraft: Kraft in Richtung der Rotation, neg. Kraft: Richtung entgegen. Vor der RP3 und 1 wird der Rotor in das magnetische Feld hinein gezogen und es gibt ein Moment in Drehrichtung. Während der RP1 und 1 bzw. 3 und 4 wird der Rotor durch den Resonanzkreis weiter aufmagnetisiert. Wenn er dann nach RP2 bzw. 4 das Feld wieder verläßt, wird zur Bewegung mehr Drehmoment benötigt als zuvor geliefert wurde. Die Differenz ist jene Energie welche dazu benötigt wird, die Verluste vom Resonanzkreis und die Einsenverluste auszugleichen.
10 Einfluss einer Last an Ph1 und Ph2 (Einfluss von Fluss und Spannung an L1) Die Auskoppelspulen L1 und L3 liegen auf dem Stator im gleichen magnetischen Kreis wie die Resonanzspulen L2 und L4. Allerdings sind diese um 90 phasenversetzt angeordnet, weshalb auch die Ausgangsspannung in der Phase versetzt ist. Während der RP2-3 und 4-1 bricht im lastfreien Zustand das Magnetfeld im Rotor zusammen. Deshalb bildet sich in diesem Moment eine Induktionsspannung an L1 und L3 aus. Belastet man den Ausgang, dann würde der Stromfluss in L1, L3 ein Ändern des Rotormagnetfeldes entgegenwirken. Damit wird ein Entmagnetisieren vom Rotor in diesem Moment verhindert und die Induktionsspannung der Pulse zwischen RP2-3 und 4-1 bricht ein. Dieser Effekt ist im Bild auf Seite 8 bei BR, BL1 und UL1 BRAUN eingezeichnet. Nachdem sich der Rotor aufgrund der Last nun zwischen der RP2-3 und 4-1 nicht mehr entmagnetisieren kann, liefert er einen stärkeren Beitrag zur Induktionsspannung in L2 und L4. Dieser Beitrag addiert sich zur Spannung des Resonanzkreises auf und schaukelt die Spannung weiter hoch. Ergebnis: Belastet man den Generator durch einen Widerstand an PH1 und 2, dann wird die Resonanz verstärkt und die Flußdichte und Ausgangsspannung steigen an. Der QEG könnte also einen negativen Ausgangswiderstand haben. Diese Eigenschaften sind in der Technik nichts ungewöhnliches und z.b. beim Reihenschlussgenerator zu finden. Siehe Reihenschlussgenerator unter: Der größte Teil der an PH1 und PH2 abgegebenen Energie wird Bei RP1-2 und 3-4 abgegeben, weil hier in L1 und L3 die größte Flussänderung vorhanden ist. Der Strom in diesen Wicklungen wirkt der Änderung vom Magnetfeld entgegen und es bildet sich wie bei einem gewöhnlichen Synchrongenerator ein Drehmoment an der Welle aus, welches der entnommenen Leistung an den Phasen entspricht.
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