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Synchronmaschine.
Die Erfindung bezieht sich auf Synchronmaschinen mit dauernd oder vorübergehend hoher Umdrehungszahl, deren Erregerteil umläuft. Bei derartigen Maschinen mit grösserer Leistung besteht die Schwierigkeit, dass der die Erregerwicklung tragende Läufer hohen mechanischen Beanspruchungen infolge der Fliehkraft ausgesetzt ist. Deshalb ist beispielsweise die Leistung von hochtourigen und daher billigen Turbogeneratoren begrenzt, wenn die axiale Länge der Maschine ein bestimmtes Mass nicht überschreiten soll. Auch bei Wasserkraftgeneratoren, deren Betriebsdrehzahl an sieh niedriger ist, besteht diese Schwierigkeit, da diese Generatoren auch noch die ein Mehrfaches der Betriebsdrehzahl ausmachende Durchgangsdrehzahl aushalten müssen.
Die hohen Fliehkraftbeanspruehungen sind zum grossen Teil dadurch bedingt, dass der Stahlkörper des Läufers nicht nur die Fliehkraftbeanspruchungen durch sein eigenes Gewicht aushalten muss, sondern auch noch die Fliehkräfte, die die Erregerwicklung verursacht. Z. B. tritt bei Turbogeneratoren die grösste Fliehkraftbeanspruchung am Grund der Läuferzähne auf, die die in den Nuten liegende Wicklung halten. Diese Fliehkraftbeanspruchung ist zum wesentlichen Teil durch das Kupfergewicht der Erregerwicklung verursacht. Ähnliches gilt auch für die bei Wasserkraftgeneratoren am Grund der einzelnen Pole auftretende Fliehkraftbeanspruchung.
Nach der Erfindung wird hier wesentliche Abhilfe geschaffen, indem die Erregung der Maschine teilweise durch umlaufende permanente Magnete bewirkt wird. Eine Teilerregung durch regelbaren Magnetisierungsstrom bleibt erforderlich, wenn die Feldstärke bzw. Spannung der Maschine geregelt werden soll. Diese Teilerregung erfordert jedoch bedeutend geringere Mittel. Im Verhältnis der Verminderung des Anteiles der elektromagnetischen Erregung an der Gesamterregung sinkt auch das Kupfergewicht der Erregerwicklung und werden die Fliehkraftbeanspruchul1gen des umlaufenden Teiles herabgesetzt. Die Erfindung ermöglicht also unter Beibehaltung der bisher üblichen zusätzlichen Fliehkraftbeanspruchungen die Leistung des Generators erheblich zu vergrössern bzw. bei gleicher Leistung seine Abmessungen zu verkleinern.
In der Zeichnung sind in den Fig. 1, 2 und 5 Arbeitsdiagramme einer gemäss der Erfindung ausgebildeten Synchronmaschine gezeigt, die Fig. 3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Schaltbild.
In Fig. 1 ist die magnetische Charakteristik des permanenten Stahlmagneten als Kurve a aufgetragen, während die Gerade b den magnetischen Widerstand des Luftspaltes und des Weieheisens der Synchronmaschine darstellt, deren Wirkung hier bei dem üblichen Betrieb als Generator verfolgt werden soll. Im Leerlauf arbeitet die Maschine auf dem Schnittpunkt 1 und besitzt eine innere Spannung E1, die gleich der Klemmenspannung ist. Wird der Generator belastet, so entsteht vorwiegend durch den Blindstrom eine Ankerrückwirkung, die den Generator entmagnetisiert, u. zw. um den Betrag der Gegenamperewindungen g in Fig. 1. Die magnetische Widerstandslinie verschiebt sich daher in die Lage e, die die magnetische Charakteristik im Punkte 2 schneidet, so dass die EMK der Maschine sich auf E2 vermindert.
Durch die Wirkung der Streufelder sinkt die Klemmenspannung noch unter diesen Wert. Durch eine magnetische Zusatzerregung des Permanentmagneten sollen diese Wirkungen des Belastungsstromes nunmehr aufgehoben werden. Gibt man dem Permanentmagneten eine Zusatzerregung m im Sinne seiner Permanentmagnetisierung, so verschiebt sieh die Widerstandslinie bis zur
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Lage d. Sie schneidet die Magneteharakteristik im Punkte 3 und die innere Spannung wird nunmehr E3, also grösser als die bei Leerlauf. Sie reicht jetzt aus, um Streuabfälle der Maschine zu überwinden und die Klemmenspannung auf den gewünschten Leerlaufbetrag oder sogar darüber hinaus zu steigern.
Die Zusatzmagnetisierung m erfordert nur sehr viel weniger Erregungsamperewindungen, als sie etwa für eine Synchronmaschine mit Weicheisenläufer notwendig wären. Denn ein grosser oder sogar der grösste Teil der Magnetisierung wird durch die Koerzitivkraft des Permanentmagnetstahls ohne äusseren Erregerstrom geliefert, und nur zur Überwindung von Ankerrückwirkung und Streuung ist ein Aufwand von Erregerstrom notwendig. Die Erregerwicklungen derartiger Synchronmaschinen können daher sehr viel leichter gehalten werden als die der bisher üblichen Synchronmaschil1en mit Weicheisenläufer. Hiedurch verringern sich die Läuferverluste, so dass der Wirkungsgrad steigt und die Erwärmung zurückgeht.
Und da das Volumen und das Gewicht der Läuferwicklung sich verkleinert, so steigt die Möglichkeit guter Kühlwirkung, und es vergrössert sich die mechanische Festigkeit gegen- über der Zentrifugalkraft. Dies spielt insbesondere bei schnellaufenden Turbogeneratoren eine grosse Rolle, bei denen die Zentrifugalkräfte die Festigkeit des Läufers und daher die Gesamtkonstruktion beherrschen. Durch das verringerte Gewicht der Läuferwicklung kann man mit der Umfangsgesehwindig- keit der Maschine erheblich höher gehen als bisher und erreicht dadurch eine gesteigerte Ausnutzung der Baustoffe und dadurch kleinere Einheitsgewichte und grössere Grenzleistungen.
Man kann in der Verringerung des Materialaufwandes für die Erregerwicklung noch einen Schritt weitergehen, indem man den Erregerstrom zur Erzielung der magnetisierenden Amperewindungen nicht stets in gleicher Richtung fliessen lässt. Es ist vielmehr zweckmässig, die magnetischen Verhältnisse der Maschine so auszulegen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Spannung Ei ohne Zusatzerregung ist hier grösser als die Leerlaufspannung Eo gewählt, so dass man zur Erzielung der Leerlaufspannung eine gewisse Gegenerregung-m benötigt, die erzielt werden soll, indem man den Erregergleichstrom in umgekehrter Richtung durch die Erregerwicklung schickt.
Bei Vollast der Maschine benötigt man die innere Spannung E3, und zu ihrer Erzeugung wird der Erregerstrom umgekehrt, so dass er wieder in positiver Richtung zusätzlich zur Permanenterregung wirkt. Durch diese Massnahme kann man den Bedarf an Erregerstrom, an Erregeramperewindungen und damit den Aufwand für die Erregerwicklung nochmals auf die Hälfte herabdrücken, so dass die oben geschilderten Vorteile hinsichtlich der Ver- ringerung der Verluste, sowie des Volumens und Gewichts der Erregerwicklung sich noch weitergehend verbessern.
Benutzt man eine Gleichstromerregermaschine zur Erregung, so lässt sich diese nach Fig. 3 durch einen Wende-Erregerstromregler genau so leicht aufspannung regeln, wie es bisher für die einseitige Spannungsregelung der Weicheisen-Synchronmasehinen üblich war.
Die beschriebene Regelung der Synchronmaschine kann natürlich durch an sich bekannte Regeleinrichtungen in Abhängigkeit von der Spannung, dem Strom mit seiner Wirk-und Blindkomponente, von dem Leistungsfaktor oder einer ähnlichen Ausgangsgrösse her erfolgen. Man hat bei diesen Anordnungen den weiteren Vorteil, dass auch die Erregergleichstrommaschine wesentlich kleiner wird als bisher und dass deren Regelung mit einfachen Mitteln und viel geschwinder erfolgen kann als die der bisher benötigten grossen Erregermaschinen für schwere Synchrongeneratoren.
Wenn der Synchrongenerator starke Kurzschlussströme abgeben muss, besonders bei einem relativ nahen Kurzschluss, so treten sehr starke entmagnetisierende Wirkungen durch die Ankenlüek- wirkung in der Ständerwicklung auf. Es ist zweckmässig, den Strom im statu naseendi derart auf die Erregerstromkreise wirken zu lassen, dass sich entsprechend starke Gegenströme in der Läuferwicklung ausbilden.
Gelingt dies jedoch nicht oder nicht vollkommen, so soll die Erregungsanordnung befähigt sein, nach Ablauf des Kurzschlussstromes kurzzeitig einen so starken magnetisierenden Erregerstrom in die Erregerwicklung der Synchronmaschine zu liefern, dass der permanentmagnetische Läufer dadurch wieder auf seinen normalen Remanentmagnetismus herauf erregt wird, den er durch die Kurzschluss- ströme möglicherweise verloren hat.
Ganz besondere Vorteile im Bau der Synchronmaschine erzielt man hinsichtlich Eiwärmung,
Lüftung und Zentrifugalkraft durch Anwendung permanentmagnetiseher Läufer ohne jede Erregerwicklung. Da derartige Maschinen jedoch starken Spannungsabfall mit zunehmendem Belastungsstrom besitzen, so muss man die Regelung, die in Fig. 1 durch inneren Erregergleichstrom erläutert war, durch äusseren Erregerwechselstrom bewirken. In Fig. 4 ist dargestellt, wie dies z. B. durch schalt- bare Kondensatoren erzielt werden kann, deren Kapazitätsstrom die Ständerwicklung der Synchron- maschine durchfliesst und hier Amperewindungen erzeugt, die hochmagnetisierend im Sinne des
Permanentfeldes des Läufers wirken.
Zunächst einmal kompensieren sie dort den nacheilenden ent- magnetisierenden Blindstrom des Netzes und verhindern, dass sieh die Leerlaufeharakteristik b der
Maschine nach Fig. 1 in die Lage c verschiebt. Sie entlasten dadurch die Ständerwicklung der Synchron- maschine von diesen Blindströmen und bewirken eine stärkere Ausnutzbarkeit der Maschine. Sie ermöglichen aber auch durch Hineinfliessen überschiessender voreilender Magnetisierungsströme in die Ständerwicklung eine Verschiebung der Charakteristik in die Lage d in Fig. 1 und damit eine
Spannungssteigerung.
Die Regelung an diesen Kondensatoren kann man entweder durch Zu-oder Abschalten vor- nehmen oder auch durch vorgeschaltete Regeldrosselspulen, etwa. mit Gleichstrommagnetisieiung
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zur Einstellung ihrer Selbstinduktion. Man kann auch stetig oder absatzweise regelbare Kondensatoren benutzen, oder man kann die Kondensatorbatterien ganz oder zum Teil durch Parallelschaltung von stetig regelbaren Drosselspulen ergänzen. Auch durch Stromtore oder ähnliche Schaltmittel kann man die Regelung des magnetisierenden Kapazitätsstromes vornehmen. Auch hier wird man die Regelung in Abhängigkeit von der Spannung oder von den Strömen des Netzes durchführen.
Die Regelung der Synchronmaschine durch Kapazitäten und Drosselspulen im Weschelstromkreis hat gegenüber der Regelung durch Veränderung des Erregerstromes auch den bedeutenden Vorteil, dass die Dauer- kurzschlussstrome der Maschine wesentlich verringert werden. Denn bei Kurzschluss im Netz verlieren die Kondensatoren und Drosseln ihre Spannung und können daher keine erheblichen Ströme ins Netz liefern, während eine entsprechend verstärkte Gleichstromerregung der Synchronmaschine einen anteilig stärkeren Kurzschlussstrom erzeugen würde.
Wenn man die Ankerrückwirkung und die Herabdrückung des Feldes durch Gegenamperewindungen des Ständers vermeiden will, so muss man durch die Regelung der äusseren Kapazitätsströme zunächst dafür sorgen, dass keine nacheilenden Blindströme in den Generator eintreten. Alsdann bleibt noch die Wirkung der Streuung übrig, die auch bei Entnahme reinen Wirkstromes aus dem Generator spannungserniedrigend wirkt. In Fig. 5 a ist das Diagramm der Maschine dargestellt für den Fall reiner Wirkstromentnahme. Dieser Strom J, in Richtung der Klemmenspannung E erzeugt eine Streufeldspannung Es senkrecht zum Strom, die von der inneren Spannung Ei in Abzug kommt und die Klemmenspannung E als Kathete des rechtwinkeligen Dreiecks stets gegenüber der Hypotenuse Ei verkleinert.
Günstiger ist es daher, in die Synchronmaschine einen äusseren Kapazitätsstrom Je hineinfliessen zu lassen. Wählt man denselben stets proportional dem Wirkstrom J w, so kann man erreichen, dass der gesamte Ständerstrom J stets in Richtung der inneren Spannung Ei liegt, wie es in Fig. 5 b dargestellt ist. Dann steht die Streuspannung stets senkrecht auf Ei, und die Klemmenspannung E wächst nun sogar mit zunehmender Belastung an. Die Bedingung für den inneren Kapazitätsstrom ist hiebei
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wie man aus Fig. 5 b ohne weiteres entnimmt. Unter Es ist hiebei die Streuspannung der Ständer- wicklung einschliesslich der wirksamen Ankerrückwirkungsfelder verstanden.
Die schwache Erhöhung der Klemmenspannung nach Fig. 5 b mit zunehmender Belastung ist meistens angenehm, um auch äussere Spannungsabfälle zu überwinden. Wünscht man sie nicht, so kann man die Klemmenspannung auch konstant halten, wenn man den magnetisierbaren Kapazitätsstrom etwa halb so gross einregelt wie nach der eben genannten Formel, so dass man an Stelle der rechtwinkeligen Dreiecke in Fig. 5 c gleiehschenkelige Dreiecke der Spannung erhält.
An Stelle der in Fig. 4 dargestellten Kondensatoren zur Entlastung von äusseren Magnetisieiungs- strömen und zur Erzeugung von inneren Kapazitätsströmen der permanentmagnetisehen Synchronmaschine kann man natürlich auch andere Mittel zur Blindstromregelung verwenden. Beispielsweise kann man parallel arbeitende Synchrol1generatoren oder Phasenschieber mit Gleicl1stromfelderregern oder asynchrone Blindstrommaschinen mit Kollektorreglung oder Stromrichter-Blindstromanordnungen in der gleichen Weise wie die Kondensatoren zur Regelung der Permanentmaschine benutzen.
Dies ist dann besonders nützlich, wenn es sich um die Ergänzung eines bestehenden Kraftwerkes durch eine neue hochtourig grosse Maschine handelt, die mit einem rein permanentmagnetischen Läufer viel leistungsfähiger, einfacher und mit grösserer Modelleistung herzustellen ist als die bisherigen Synchronmaschinen.
Auch diese Regelung durch äussere Blindstromerzeugung kann man in der vielfach bekannten Weise von Spannung, Strom oder dem Leistungsfaktor aus vornehmen. Sehr einfach wird die Regelung, wenn man als Messgrösse den Winkel zwischen Strom und Klemmenspannung des Generators wählt, indem man z. B. ein tgeg cos ; p oder sin y-Instrument als Indikator für die Spannungsregelung benutzt.
Hält man diesen Winkel gemäss Gleichung 1) und Fig. 5 b für alle Belastungen aus dem Netz konstant, so ergibt sich eine mit der Last zunehmende Klemmenspannung. Hält man durch andere Einstellung des Reglers den halben Winkel konstant, so ergibt sich nach Fig. 5 c eine völlig konstante Klemmenspannung des Generators. Alle vom Netz her etwa sonst noch anfallenden induktiven oder kapazitiven Blindströme werden dann durch die Regelanordnung vor dem Eintritt in den Generator abgefangen und aufgehoben.
Da der Permal1entmagnetläufer bei der letztbeschriebenen Ausführungsform wicklungslos ist, so besitzt er nur eine mässige magnetische Zeitkonstante, die lediglich durch die Wirbelstrombildung im schlecht leitenden Eisen gegeben ist. Es ist jedoch wichtig, bei Schaltvorgängen aller Art und besonders bei Kurzschlüssen eine möglichst grosse magnetische Zeitkonstante zu erhalten, damit das normale Magnetfeld sich während dieser Störungszeit nur möglichst wenig ändert. Bei Maschinen mit Permanentmagnetläufer ist dies besonders wichtig, da man ja die Blindströme bei Kurzschluss unmöglich durch äussere Mittel voll aufnehmen lassen kann.
Die Kurzschlussströme werden daher im Generator Gegenamperewindungen erzeugen, und diese drücken das Magnetfeld noch weit unter den Punkt 2
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in Fig. 1 herab. Nach ihrem Verschwinden bleibt daher eine starke dauernde Entmagnetisierung des Permanentmagnetstahles zurück. Rüstet man den Läufer aber mit einer so starken Dämpferwicklung aus, dass deren Zeitkonstante wesentlich grösser ist als die Dauer des Kurzschlusszustandes, so bilden sieh in ihr durch einfache Transformationswirkung im Generator so lange andauernde Dämpferströme aus, dass die Kurzschlussankerrückwirkung kaum einen Einfluss auf das Hauptfeld der Maschine ausübt und dass daher nur eine geringfügige Entmagnetisierung eintritt.
Da diese Dämpferwicklung beim Fehlen der Erregerwicklung nur sich selbst zu tragen hat, so kann man sie leicht aus gut leitendem Kupfer herstellen und erzielt dadurch eine sehr hohe Läuferzeitkonstante.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Synchronmaschine grosser Leistung mit dauernd oder vorübergehend hoher Umdrehungszahl, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Herabsetzung der Fliehkraft die Erregung der Maschine teilweise durch umlaufende permanente Magnete bewirkt wird.
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Synchronous machine.
The invention relates to synchronous machines with a permanently or temporarily high number of revolutions, the exciter part of which rotates. In machines of this type with greater power, there is the problem that the rotor carrying the excitation winding is exposed to high mechanical stresses as a result of the centrifugal force. Therefore, for example, the output of high-speed and therefore cheap turbo-generators is limited if the axial length of the machine is not to exceed a certain level. This difficulty also arises in the case of hydropower generators, the operating speed of which is actually lower, since these generators also have to withstand the runaway speed, which is a multiple of the operating speed.
The high centrifugal forces are largely due to the fact that the steel body of the rotor not only has to withstand the centrifugal forces caused by its own weight, but also the centrifugal forces caused by the excitation winding. In turbo generators, for example, the greatest centrifugal force stress occurs on the base of the rotor teeth that hold the winding located in the slots. This centrifugal force is mainly caused by the copper weight of the excitation winding. The same applies to the centrifugal force that occurs at the base of the individual poles in hydropower generators.
According to the invention, an essential remedy is provided here by the excitation of the machine being caused in part by rotating permanent magnets. Partial excitation by means of controllable magnetizing current remains necessary if the field strength or voltage of the machine is to be regulated. This partial excitation, however, requires significantly less resources. In relation to the reduction in the proportion of electromagnetic excitation in the total excitation, the copper weight of the excitation winding also decreases and the centrifugal forces on the rotating part are reduced. The invention thus makes it possible, while maintaining the previously customary additional centrifugal forces, to increase the power of the generator considerably or to reduce its dimensions with the same power.
In the drawing, in FIGS. 1, 2 and 5, working diagrams of a synchronous machine designed according to the invention are shown, and FIGS. 3 and 4 show exemplary embodiments of the invention in the circuit diagram.
In Fig. 1, the magnetic characteristic of the permanent steel magnet is plotted as curve a, while the straight line b represents the magnetic resistance of the air gap and the ferrous iron of the synchronous machine, the effect of which is to be followed here in normal operation as a generator. When idling, the machine works at intersection 1 and has an internal voltage E1 that is equal to the terminal voltage. If the generator is loaded, an armature reaction occurs mainly due to the reactive current, which demagnetizes the generator, etc. by the amount of the counter amp turns g in FIG. 1. The magnetic resistance line therefore shifts to position e, which intersects the magnetic characteristic at point 2, so that the EMF of the machine is reduced to E2.
Due to the effect of the stray fields, the terminal voltage drops below this value. With additional magnetic excitation of the permanent magnet, these effects of the load current should now be canceled. If the permanent magnet is given an additional excitation m in the sense of its permanent magnetization, the resistance line shifts up to
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Location d. It cuts the magnet characteristic at point 3 and the internal tension is now E3, i.e. greater than that at idle. It is now sufficient to overcome litter from the machine and increase the terminal voltage to the desired no-load amount or even beyond.
The additional magnetization m only requires far fewer excitation ampere turns than would be necessary, for example, for a synchronous machine with a soft iron rotor. Because a large or even the largest part of the magnetization is supplied by the coercive force of the permanent magnet steel without an external excitation current, and excitation current is only required to overcome armature feedback and scatter. The excitation windings of such synchronous machines can therefore be held much more easily than those of the synchronous machines with soft iron rotors that were customary up to now. This reduces the rotor losses, so that the efficiency increases and the heating decreases.
And since the volume and the weight of the rotor winding are reduced, the possibility of a good cooling effect increases, and the mechanical strength against the centrifugal force increases. This plays a major role in high-speed turbo generators in particular, where the centrifugal forces control the strength of the rotor and therefore the overall construction. Due to the reduced weight of the rotor winding, the circumferential speed of the machine can be increased considerably more than before, thereby achieving an increased utilization of the building materials and thus lower unit weights and greater power limits.
One can go one step further in reducing the material used for the excitation winding by not always allowing the excitation current to flow in the same direction to achieve the magnetizing ampere turns. Rather, it is useful to design the magnetic conditions of the machine as shown in FIG. The voltage Ei without additional excitation is selected here to be greater than the open-circuit voltage Eo, so that a certain counter-excitation-m is required to achieve the open-circuit voltage, which is to be achieved by sending the excitation direct current through the excitation winding in the opposite direction.
When the machine is at full load, the internal voltage E3 is required, and to generate it, the excitation current is reversed so that it again acts in a positive direction in addition to permanent excitation. With this measure, the requirement for excitation current, excitation amp windings and thus the effort for the excitation winding can be reduced by half again, so that the advantages described above with regard to the reduction of losses as well as the volume and weight of the excitation winding are further improved .
If a direct current exciter is used for excitation, this can be regulated by a reversing exciter current regulator just as easily as was customary for the one-sided voltage regulation of the soft iron synchronous machines.
The described regulation of the synchronous machine can of course take place by means of regulation devices known per se as a function of the voltage, the current with its active and reactive components, the power factor or a similar output variable. These arrangements have the further advantage that the DC exciter machine is also much smaller than before and that it can be controlled with simple means and much more quickly than that of the large exciter machines previously required for heavy synchronous generators.
If the synchronous generator has to deliver strong short-circuit currents, especially in the case of a relatively close short-circuit, very strong demagnetizing effects occur due to the leakage effect in the stator winding. It is advisable to allow the current to act on the excitation circuits in statu naseendi in such a way that correspondingly strong countercurrents develop in the rotor winding.
However, if this does not succeed or does not succeed completely, the excitation arrangement should be capable of briefly supplying such a strong magnetizing excitation current to the excitation winding of the synchronous machine after the short-circuit current has expired that the permanent magnet rotor is thereby again excited to its normal remanent magnetism, which it is through may have lost the short-circuit currents.
Very special advantages in the construction of the synchronous machine are achieved in terms of egg heating
Ventilation and centrifugal force through the use of permanent magnet rotors without any excitation winding. However, since such machines have a strong voltage drop with increasing load current, the regulation, which was explained in FIG. 1 by internal direct excitation current, must be effected by external alternating excitation current. In Fig. 4 it is shown how this z. B. can be achieved with switchable capacitors whose capacitance current flows through the stator winding of the synchronous machine and generates ampere-turns here, which are highly magnetizing in the sense of
Permanent field of the runner.
First of all, they compensate for the lagging demagnetizing reactive current of the network and prevent the no-load characteristic from being seen
Machine according to Fig. 1 in position c moves. This relieves the stator winding of the synchronous machine from these reactive currents and makes the machine more usable. However, by flowing in excess leading magnetizing currents into the stator winding, they also enable a shift of the characteristic into position d in FIG. 1 and thus a
Tension increase.
The regulation of these capacitors can be carried out either by switching them on or off or by means of upstream regulating inductors, for example. with direct current magnetization
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to adjust their self-induction. You can also use continuously or intermittently controllable capacitors, or you can supplement the capacitor banks in whole or in part by connecting continuously controllable choke coils in parallel. The magnetizing capacitance current can also be regulated by current gates or similar switching means. Here too, the regulation will be carried out depending on the voltage or the currents of the network.
The control of the synchronous machine by capacitances and choke coils in the alternating circuit has the significant advantage over control by changing the excitation current that the permanent short-circuit currents of the machine are significantly reduced. This is because in the event of a short circuit in the network, the capacitors and chokes lose their voltage and therefore cannot supply any significant currents into the network, while a correspondingly increased DC excitation of the synchronous machine would generate a proportionately stronger short-circuit current.
If you want to avoid armature feedback and the depression of the field by counter amp windings of the stator, you must first ensure that no lagging reactive currents enter the generator by regulating the external capacitance currents. Then there is still the effect of the scatter, which has a voltage-lowering effect even when pure active current is drawn from the generator. In Fig. 5 a, the diagram of the machine is shown for the case of pure active current consumption. This current J, in the direction of the terminal voltage E, generates a stray field voltage Es perpendicular to the current, which is subtracted from the internal voltage Ei and always reduces the terminal voltage E as a cathetus of the right triangle compared to the hypotenuse Ei.
It is therefore more favorable to allow an external capacitance current Je to flow into the synchronous machine. If the same is chosen to be always proportional to the active current J w, it can be achieved that the entire stator current J is always in the direction of the internal voltage Ei, as shown in FIG. 5b. Then the stray voltage is always perpendicular to Ei, and the terminal voltage E now even increases with increasing load. The condition for the internal capacitance flow is here
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as can be seen from Fig. 5 b easily. It is understood to mean the stray voltage of the stator winding including the effective armature feedback fields.
The slight increase in the terminal voltage according to FIG. 5b with increasing load is usually pleasant in order to overcome external voltage drops. If you do not want it, you can keep the terminal voltage constant if you regulate the magnetisable capacitance current to about half as large as according to the formula just mentioned, so that instead of the right triangles in Fig. 5c, equilateral triangles of the voltage are obtained.
Instead of the capacitors shown in FIG. 4 for relieving external magnetization currents and for generating internal capacitance currents of the permanent magnet synchronous machine, other means for reactive current regulation can of course also be used. For example, synchronous generators working in parallel or phase shifters with DC field exciters or asynchronous reactive current machines with collector regulation or converter reactive current arrangements can be used in the same way as the capacitors for regulating the permanent machine.
This is particularly useful if an existing power plant is to be supplemented by a new, high-speed, large machine that is much more powerful, simpler and more powerful than previous synchronous machines with a purely permanent magnet rotor.
This regulation by external reactive power generation can also be carried out in the well-known manner from voltage, current or the power factor. The regulation becomes very simple if the angle between the current and the terminal voltage of the generator is selected as the measured variable. B. a tgeg cos; p or sin y instrument used as an indicator for voltage regulation.
If this angle is kept constant for all loads from the network according to equation 1) and FIG. 5b, the result is a terminal voltage that increases with the load. If half the angle is kept constant by another setting of the controller, a completely constant terminal voltage of the generator results according to FIG. 5c. Any inductive or capacitive reactive currents that may otherwise arise from the network are then intercepted and canceled by the control arrangement before entering the generator.
Since the permanent magnet rotor in the last-described embodiment has no winding, it has only a moderate magnetic time constant, which is only given by the formation of eddy currents in the poorly conductive iron. However, it is important to maintain the largest possible magnetic time constant for switching operations of all kinds and especially for short circuits, so that the normal magnetic field changes only as little as possible during this disturbance period. This is particularly important for machines with permanent magnet rotors, since it is impossible to allow the reactive currents to be fully absorbed by external means in the event of a short circuit.
The short-circuit currents will therefore generate counter-amp windings in the generator, and these will push the magnetic field far below point 2
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in Fig. 1 down. After their disappearance, a strong permanent demagnetization of the permanent magnet steel remains. However, if the rotor is equipped with a damper winding that is so strong that its time constant is significantly greater than the duration of the short-circuit condition, then through simple transformation effects in the generator, damper currents that last so long that the short-circuit armature reaction hardly have any influence on the main field of the Machine and that therefore only a slight demagnetization occurs.
Since this damper winding only has to support itself in the absence of the exciter winding, it can easily be made from highly conductive copper and thus achieves a very high rotor time constant.
PATENT CLAIMS:
1. High-performance synchronous machine with a permanently or temporarily high number of revolutions, characterized in that, in order to reduce the centrifugal force, the excitation of the machine is partially caused by rotating permanent magnets.